Отношения

Современная космология утверждает что наша вселенная. Задания для подготовки к ГИА и ЕГЭ по разделу «Как люди открывали Землю. Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Космология изучает физическую природу, строение и эволюцию Вселенной как целого.

Понятие «Вселенная» означает Космос, доступный человеческому наблюдению.

Космология рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, охваченной наблюдением. Мы называем ее Метагалактикой. Наши знания о Метагалактике ограничиваются горизонтом наблюдений. Этот горизонт определяется тем, что скорость света не мгновенна. Следовательно, мы можем наблюдать только те области Вселенной, от которых свет успел дойти до нас к настоящему времени. При этом мы видим объекты не в их нынешнем состоянии, а в том, в котором они были в момент испускания света.

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии, физике, математике, химии и других смежных дисциплинах.

Несколько предпосылок изучения Вселенной:

Считается, что формулируемые физикой законы функционирования мира действуют во всей Вселенной;

Считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную;

Считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

Проблемы возникновения и устройства Вселенной занимали людей с древности. Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились представления, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.

Гераклид Понтийский и Евдокс Книдский в IV в до н.э. утверждали, что все тела во Вселенной вращаются вокруг своей оси, и обращаются вокруг общего центра (Земли) по сферам, количество которых в разных космогониях варьировало от 30 до 55. Вершиной этой картины мира стала система Клавдия Птолемея (II в. н.э.).

Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Сначала Р. Декарт выдвинул идею эволюционной вихревой Вселенной. Согласно его теории, все космические объекты образовались из первичной однородной материи в результате вихревых движений. Солнечная система, согласно Декарту - один из вихрей космической материи. И. Кант развивал идею бесконечной Вселенной, образовавшейся под действием механических сил притяжения и отталкивания, и попытался выяснить дальнейшую судьбу такой Вселенной. Математически описал гипотезу Канта великий французский математик Лаплас.

И. Ньютон считал, что тяготеющая вселенная не может быть конечной, так как в этом случае все звезды, ее составляющие, под действием сил тяготения соберутся в центре. Он пытался объяснить наблюдаемое противоречие бесконечным количеством звезд во Вселенной, а также бесконечностью мира во времени и пространстве. Однако космология столкнулась тогда с парадоксами.

1. Гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.

Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он называл «мировыми островами». Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается.

2. Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. На самом же деле такого эффекта не наблюдают. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака, которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны, поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной.

Современная космология возникла после появления общей теории относительности Эйнштейна и поэтому ее, в отличие от классической Галилеевой и Ньютоновой космологии, называют релятивистской. Эмпирической базой для космологии являются оптические и радиолокационные астрономические наблюдения. Открытие элементарных частиц и исследование их поведения на ускорителях в условиях, приближенных к существовавшим на первоначальных этапах развития Вселенной, помогло понять, что происходило в первые моменты ее эволюции.

Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности, Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не были открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно наполнена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения. Этот результат находился в противоречии с выводами ОТО. Чтобы не вступать в конфликт с общепринятой картиной мира, Эйнштейн произвольно ввел в свои уравнения новый параметр - космическое отталкивание, которое характеризовалось с помощью космологической постоянной. А. Эйнштейн предполагал, что Вселенная стационарна, бесконечна, но не безгранична. То есть она мыслилась в виде сферы, постоянно увеличивающейся в объеме, но имеющей границы.

Единственным человеком, который в 1922 году верил в правильность выводов ОТО применительно к космологическим проблемам, был молодой советский физик А.А. Фридман. Он заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства.

Как уже говорилось в первой части данной работы, модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься

В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности.

А. Фридман, на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга.

Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации - расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А. Фридмана - один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер. Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж. Леметр. В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться - эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля.

В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное.

Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана - Де Ситтера - Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла. В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую)сторону.

Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения - такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния).

где V - скорость удаления галактик, r - расстояние между ними.

Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния.

Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Согласно всем трем моделям эволюции Вселенной, она имела точку отсчета - состояние, характеризовавшееся нулевым моментом времени. Начальным состоянием материи в ней было некоторое сверхплотное состояние, которое характеризовалось неустойчивостью, что и привело к его разрушению. В результате вещество Вселенной стало стремительно разлетаться. Сейчас мы знаем, что за каждый млрд лет жизни Вселенная расширяется на 5 - 10%. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла в 80 км/сек дает нам значения времени расширения - от 13 до 17млрд лет. В 2002 году с помощью компьютерной модели современного состояния Вселенной были получены результаты, дающие нам время ее жизни в 13,7 млрд лет.

Механизм дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества в ней. Критической плотности вещества соответствует величина в 3 атома водорода в 1 м3 пространства. Однако неопределенность в современном значении плотности вещества Вселенной очень велика. Если сложить массы всех известных в настоящее время Галактик и межзвездного газа, то получится величина?=0,3 атома Н, то есть на порядок меньше критической. Соответственно, Вселенная может расширяться вечно.

Однако, существует так называемая проблема скрытой массы. Возможно, ученым известна не вся имеющаяся во Вселенной материя. По последним данным, наблюдаемая масса Вселенной составляет всего 5-10% относительно общей массы вещества. В случае подтверждения этого результата, эволюция Вселенной может пойти по другому пути. На роль скрытой носителей массы Вселенной претендуют различные космические объекты. В нашей и других Галактиках существует большое количество темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по ее гравитационному воздействию на орбиты звезд. Более того, внутри галактических скоплений содержится еще большее количество такой материи. Эта материя представляет собой вакуумные квантовомеханические структуры. На ее долю падает 75% скрытой массы.

На роль носителей скрытой массы могут претендовать нейтрино, частицы, образовавшиеся на ранних стадиях развития вселенной. Как стало известно в последние 3 года, нейтрино все - таки имеют массу, следовательно, могут участвовать в формировании гравитационных взаимодействий.

Кандидатами на ту же роль являются и некоторые экзотические объекты, такие как черные дыры - объекты точечного размера и огромной массы, которые содержатся во вселенной в больших количествах, пространственные струнные объекты и т.п.

По мнению ряда ученых, 20% скрытой материи представлены «зеркальными частицами», из которых состоит невидимый нами «зеркальный мир», который пронизывает нашу Вселенную. Гипотез на этот счет достаточно, однако их подтверждение или опровержение - дело будущего.

В случае, если предположения ученых о неизвестной нам массе вещества Вселенной подтвердятся, то ее эволюция может пойти по пути, предложенному в модели Фридмана, или по схеме Пульсирующей Вселенной. В этой модели Вселенная проходит бесконечно большое количество осцилляций, то есть в конце каждого жизненного цикла возвращается в первоначальное состояние с точечным объемом и бесконечно большой плотностью.

Очень важной проблемой современной космологии являются начальные моменты существования нашей Вселенной. Удачная попытка решения этой проблемы связана с именем американского астрофизика Георгия Антоновича Гамова, который в 1942 г. предложил концепцию эволюции Вселенной путем «Большого взрыва». Основная цель автора концепции заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемые в наше время соотношения между количеством различных химических элементов и их изотопов. Теория Горячей Вселенной и Большого взрыва дает определенные предсказания о состоянии вещества Вселенной в первые моменты ее жизни.

Космология - раздел современной астрономии, изучающий происхождение, свойства и эволюцию Вселенной как единого целого. Физическая космология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая космология - разработкой моделей, которые должны описывать наблюдаемые свойства Вселенной в математических терминах. Космология в самом широком смысле охватывает физику, астрономию, философию и теологию. Действительно, она стремится представить картину мира, объясняющую, почему Вселенная имеет именно те свойства, которые она имеет. Уже греческая космология стремилась построить математическую модель движения планет. Современная космология целиком базируется на законах физики и математических конструкциях.

Только в XX веке было выработано понимание Вселенной как единого целого. Первый важный шаг был сделан в 1920-х годах, когда ученые пришли к выводу, что наша Галактика - одна из многих галактик, а Солнце - одна из миллионов звезд Млечного Пути. Последующее изучение галактик показало, что они удаляются от Млечного Пути, причем чем дальше они находятся, тем больше скорость их удаления. Ученые осознали, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Разбегание галактик происходит в соответствии с законом Хаббла, согласно которому красное смещение галактики пропорционально расстоянию до нее. Постоянная пропорциональности, называемая постоянной Хаббла, имеет значение в пределах 60-80 км/с на один Мегапар-сек (1 пк - 3,26 световых года) с погрешностью 20%. Согласно закону Хаббла, скорости разбегания удаленных галактик прямо пропорциональны их расстояниям от нас - наблюдателей. Темнота ночного неба обусловлена расширением Вселенной. Объяснение этого факта является очень важным космологическим наблюдением. Появление в 1950-х годах радиоастрономии позволило установить, что большинство радиоисточников (например, квазары и радиогалактики) являются удаленными объектами. Поскольку вычисленные по красному смещению расстояния составляют значительную долю размеров Вселенной, радиоволнам и свету требуется сравнимый с возрастом Вселенной промежуток времени, чтобы достичь Земли. В силу этого, наблюдая слабые радиоисточники, исследователь видит ранние стадии эволюции Вселенной.

Все космологические теории (модели) включают постулат, согласно которому во Вселенной нет выделенных точек и направлений, т. е. все точки и направления равноправны для любого наблюдателя. Обычно, также предполагается, что законы физики и фундаментальные постоянные, в частности постоянная гравитации G, не меняются со временем. Пока нет фактов, указывающих на обратное. Общая теория относительности Эйнштейна - отправная точка для большинства космологических моделей. Космологические модели отличаются выбором двух значений - космологической постоянной Эйштейна и плотности, зависящей от количества вещества во Вселенной и от постоянной Хаббла.

В модели стационарной Вселенной, созданной английскими астрономами Ф. Хойлом и Г. Бонди и американским астрономом Т. Голдом, утверждается, что Вселенная одинакова повсюду и в любое время для всех наблюдателей. Для того чтобы привести эту модель в соответствие с наблюдаемым расширением Вселенной, Ф. Хойл постулировал непрерывное порождение нового вещества С-полем («творящим полем»), которое заполняет пустоты, остающиеся после разбегания уже существующих галактик. Однако модель Хойла-Бонди-Голда не согласовывалась с другими эмпирическими данными, например с реликтовым излучением. Тем не менее эта модель дала существенный толчок развитию теории ядерного синтеза в звездах, поскольку, если бы не было Большого Взрыва, тяжелые элементы могли образовываться только во взрывающихся звездах. Это положение теории, не связанное с выбором космологической модели, полностью осталось в силе.

Вселенная Фридмана - модель, в которой плотность и радиус Вселенной могут изменяться со временем, т. е. Вселенная находится в состоянии непрерывного расширения или сжатия. Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привел к поиску так называемой недостающей массы, т. е. «темной» материи, заполняющей неизлучающие области Метагалактики. Еще в 1922-1924 годах российский математик А. А. Фридман на основе теории относительности Эйнштейна доказал, что из-за действия сил тяготения материя во Вселенной не может находиться в покое - она нестационарна. Наиболее важным аргументом в пользу этой теории является открытие в 1965 году американскими физиками А. Пензиасом и Р. Уилсоном микроволнового фонового излучения, эквивалентного излучению абсолютно черного тела с температурой 2,7 К (по Кельвину).

Пульсирующая Вселенная ~ модель Вселенной, в которой она периодически проходит циклы расширения и сжатия до так называемого Большого Хлопка (сдавливания). Каждый цикл сжатия сменяется следующим за ним очередным Большим Взрывом, открывающим новой цикл расширения, и так далее до бесконечности. Если такое происходит, то Вселенная является замкнутой.

Перемешивающаяся Вселенная - хаотическая модель ранней Вселенной, в которой в результате гигантских конвульсий и колебаний свет «плавает» вокруг нее и способствует превращению неоднородной Вселенной в однородную. Установлено, что эта модель нежизнеспособна.

Открытая Вселенная - космологическая модель, в которой Вселенная представляется бесконечной в пространстве. Чтобы эта модель была справедлива, расширение Вселенной должно продолжаться или замедляться, но не сменяться сжатием, как в моделях пульсирующей Вселенной. Для этого она должна содержать меньше вещества, чем необходимо для создания дос-таточно сильного гравитационного поля, способного прекратить ее расширение. В настоящее время средняя плотность материи во Вселенной точно не определена, поэтому делать вывод в пользу той или иной модели рано.

Модель расширяющейся Вселенной - модель эволюции Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном горячем состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 млрд. лет назад и известно как Большой Взрыв. Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Это реликтовое излучение первичного расширяющегося раскаленного шара было предсказано американским физиком русского происхождения Дж. Гамовым в 1948 году. Фоновое излучение было изучено на всех длинах волн от радио- до гамма-диапазона. В последние десятилетия большое внимание уделялось изотропии реликтового излучения, дающей информацию о самых ранних стадиях эволюции.

Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10" 43 с (квант времени) после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 К: наступила эпоха рекомбинации, т. е. вещество отделилось от излучения, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества достигла значения выше, чем значение плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «Большой Взрыв» может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

Особый класс моделей Большого Взрыва составляют инфляционные модели, или модели раздувающейся Вселенной. В этих моделях на ранней стадии эволюции Вселенной присутствует конечный период ускоренного расширения. При таких условиях высвободилось бы огромное количество энергии, содержащейся до этого в исходном физическом вакууме пространства-времени. В течение некоторого времени горизонт Вселенной расширялся бы со скоростью, намного превышающей скорость света. Эта теория способна удовлетворительно объяснить существующее расширение Вселенной и ее однородность, однако большинство физиков и космологов высказывают сомнения в возможности осуществления движения со скоростью, превышающей скорость света.

Исходя из представлений о единой природе четырех фундаментальных физических взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных), определяющей их взаимоотношения на всех стадиях эволюции Вселенной, начиная с! 970-х годов космологи и физики пытаются построить теорию великого объединения. Создание «Теории Всего», как иначе называет этот грандиозный проект современной науки С. Хокинг 1 , в значительной степени расширило бы наше понимание Вселенной и ее эволюции.

В настоящее время космология бурно развивается благодаря открытиям физики элементарных частиц и астрономическим наблюдениям различных объектов во Вселенной.

1. Основные космологические модели Вселенной

Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую все небесные тела, диффузную (диффузия – рассеяние) материю, существующую в виде разобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.

Космология – наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяется от философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:

· Вселенная существовала всегда, это «мир в целом» (универсум).

· Вселенная стационарна (неизменна), изменяются только космические системы, но не мир в целом.

· Пространство и время абсолютны. Метрически пространство и время бесконечны.

· Пространство и время изотропны (изотропность характеризует одинаковость физических свойств среды по всем направлениям) и однородны (однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной).

Современная космология основана на общей теории относительности и поэтому ее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.

В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красного смещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра, что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея о нестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулись проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующий этап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова (1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разных стадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт – остаток далекого прошлого).

Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере.

По способу существования – модель «расширяющейся Вселенной» и модель «пульсирующей Вселенной».

В зависимости от кривизны пространства различают – открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутая бесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в ней Вселенная конечна, но неограниченна, безгранична.

Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породил несколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, если Вселенная бесконечна, то она конечна.

1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечной протяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удаление туманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории «красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышать скорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростью распространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большей скоростью.

2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис о бесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно закону освещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света по мере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречит эмпирическим данным.

3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное число космических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит к бесконечному ускорению, что не наблюдается.

4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть» Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению с обратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическому равновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временной структуры Вселенной.

2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»

С глубокой древности и до начала XX века космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя этот процесс расширения в прошлое, ученые сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности («точка сингулярности»), а вся нынешняя Вселенная конечна, т.е. обладает ограниченным объемом и временем существования.

Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10 -44 секунды после начала расширения. Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала - физического описания сингулярности.

Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя.

Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные для элементарных частиц квантовые закономерности.

Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состояния в результате Большого взрыва, который заполнил все пространство. Возникла температура 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существовать молекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны, и меньше было протонов и нейтронов. В конце третьей минуты после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 млрд. град. по Кельвину. Стали образовываться ядра атомов – тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этому времени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуя водородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в 1965 г. – излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когда еще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х. Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационная неустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любом объеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из них потом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, а из них возникли протозвезды. Этот процесс продолжается и в наше время. Вокруг звезд сформировались планетные системы. Данная модель (стандартная) Вселенной не является достаточно обоснованной, остается много вопросов. Доводами в ее пользу являются лишь установленные факты расширения Вселенной и реликтовое излучение.

Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 сек. – 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности была больше 10 13 по шкале Кельвина (в которой начало отсчета соответствует – 273 0 С). Плотность вещества примерно 10 93 г/см 3 . Неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судят о состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрыва плотность вещества упала до 10 10 г/см 3 . В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно – фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химические элементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникают атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения (остаток от той далекой поры образования нейтральных атомов водорода и гелия).

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур, что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когда температура после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовала в основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны, а из фотонов – электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняется симметрия между веществом и излучением.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевес вещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство и разнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразных горных образований, планет, звезд и галактик.

Итак, 15-20 миллиардов лет – примерный возраст Вселенной. Что же было до рождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологии утверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность). Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».

Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновения из «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.

Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, «материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела...».

Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10 -30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.

Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А. Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр. Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.

Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существовании же этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10 раз больше массы самих галактик.

Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять – галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».

Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют в космосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они не смогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная начнет сжиматься.

Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводят аналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдать со стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.

Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.

Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующей Вселенной». Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.

А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной? Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», но что, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвенным подтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо «Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск «мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».

Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.

Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?

Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.

Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».

Или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий). 3. Концепция современного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. 4. Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из...

Галактик и Вселенной. Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях...

Космология изучает физическую природу, строение и эволюцию Вселенной как целого .

Понятие "Вселенная" означает Космос, доступный человеческому наблюдению .

Космология рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, охваченной наблюдением. Мы называем ее Метагалактикой . Наши знания о Метагалактике ограничиваются горизонтом наблюдений. Этот горизонт определяется тем, что скорость света не мгновенна. Следовательно, мы можем наблюдать только те области Вселенной, от которых свет успел дойти до нас к настоящему времени. При этом мы видим объекты не в их нынешнем состоянии, а в том, в котором они были в момент испускания света.

Несколько предпосылок изучения Вселенной:

считается, что формулируемые физикой законы функционирования мира действуют во всей Вселенной
считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную
считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип)

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

Проблемы возникновения и устройства Вселенной занимали людей с древности. Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились представления, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится "царство мертвых". Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий "нижние воды" (океан, обтекающий земной остров) от "верхних" (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.

В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный дракон будто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку. Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтому все небесные светила движутся с востока на запад.

В греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в седьмом веке до нашей эры началось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины. Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский . Это ему принадлежат слова: "Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим..." Тогда же Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеет форму шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты

Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Сначала Р. Декарт выдвинул идею эволюционной вихревой Вселенной. Согласно его теории, все космические объекты образовались из первичной однородной материи в результате вихревых движений. Солнечная система, согласно Декарту – один из вихрей космической материи. И. Кант развивал идею бесконечной Вселенной, образовавшейся под действием механических сил притяжения и отталкивания, и попытался выяснить дальнейшую судьбу такой Вселенной. Математически описал гипотезу Канта великий французский математик Лаплас.

Гравитационный парадокс : согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.

Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он называл "мировыми островами". Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается.

Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. На самом же деле такого эффекта не наблюдают. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака, которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны, поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной.

Единственным человеком, который в 1922 году верил в правильность выводов ОТО применительно к космологическим проблемам, был молодой советский физик А. А. Фридман. Он заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства.

Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной .

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься

В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами . Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности.

А.Фридман , на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга.

Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации – расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А.Фридмана – один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер . Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж.Леметр . В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться - эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля.

Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана - Де Ситтера – Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла . В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую)сторону .

V = Hr , где V - скорость удаления галактик, r - расстояние между ними.

Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик» . В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Согласно всем трем моделям эволюции Вселенной, она имела точку отсчета - состояние, характеризовавшееся нулевым моментом времени. Начальным состоянием материи в ней было некоторое сверхплотное состояние, которое характеризовалось неустойчивостью, что и привело к его разрушению. В результате вещество Вселенной стало стремительно разлетаться. Сейчас мы знаем, что за каждый млрд лет жизни Вселенная расширяется на 5 – 10%. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла в 80 км/сек дает нам значения времени расширения- от 13 до 17 млрд лет. В 2002 году с помощью компьютерной модели современного состояния Вселенной были получены результаты, дающие нам время ее жизни в 13,7 млрд лет .

Механизм дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества в ней. Критической плотности вещества соответствует величина в 3 атома водорода в 1 м3 пространства. Однако неопределенность в современном значении плотности вещества Вселенной очень велика. Если сложить массы всех известных в настоящее время Галактик и межзвездного газа, то получится величина ρ=0,3 атома Н, то есть на порядок меньше критической. Соответственно, Вселенная может расширяться вечно.

На роль носителей скрытой массы могут претендовать нейтрино, частицы, образовавшиеся на ранних стадиях развития вселенной. Как стало известно в последние 3 года, нейтрино все- таки имеют массу, следовательно, могут участвовать в формировании гравитационных взаимодействий.

По мнению ряда ученых, 20% скрытой материи представлены « зеркальными частицами», из которых состоит невидимый нами « зеркальный мир», который пронизывает нашу Вселенную. Гипотез на этот счет достаточно, однако их подтверждение или опровержение - дело будущего.

Очень важной проблемой современной космологии являются начальные моменты существования нашей Вселенной. Удачная попытка решения этой проблемы связана с именем американского астрофизика Георгия Антоновича Гамова , который в 1942 г. предложил концепцию эволюции Вселенной путем «Большого взрыва». Основная цель автора концепции заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемые в наше время соотношения между количеством различных химических элементов и их изотопов. Теория Горячей Вселенной и Большого взрыва дает определенные предсказания о состоянии вещества Вселенной в первые моменты ее жизни.

В первоначальный момент времени Вселенная была сосредоточена в минимальном объеме, который был в миллиарды раз меньше булавочной головки. А если точно следовать математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность – равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью – точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Согласно оценкам, это происходило от 13,7 млрд лет назад.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как следует из общей теории относительности, а его полное разрушение

Причины возникновения такого начального состояния, а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неизвестными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, в которых содержится попытка объяснить эти процессы.

Итак, исходное состояние перед «началом» обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом , из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок . Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое назвали «ложным» вакуумом . Это состояние характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, которые равносильны гравитационному отталкиванию такой силы, которая вызвала безудержное и стремительное расширение. Это и было первым толчком – началом. С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и пространство.

Согласно гипотезе Алана Гута, американского математика, в первые моменты времени Вселенная расширялась со все возрастающей скоростью. Такое расширение получило название раздувания . По разным оценкам период раздувания занимает невообразимо малый промежуток времени – до 10-39 секунды после начала. Этот период называется инфляционным . За это время Вселенная успевала раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько порядков превышал радиус современной Вселенной, но там практически отсутствовали частицы вещества. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Более того, в ней сформировались локальные неоднородности, которые затем сглаживались при дальнейшем расширении Вселенной. Затем нарушилось равновесие сил, удерживавших Вселенную в подобном неустойчивом состоянии, и произошел всплеск энергии, заключенной в «ложном» вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 1027° К.. С этого момента Вселенная развивалась согласно теории горячего Большого взрыва.

При сверхвысоких температурах и плотностях даже общая теория относительности еще не применима, поскольку она не учитывает квантовые эффекты, которые в тот момент преобладают. Возможно, в этот период могли возникать кванты гравитационного поля- гравитоны.

На этом этапе, возможно, происходили взаимные превращения частиц и квантов излучения. То есть излучение и вещество еще неотделимы друг от друга. Все три вида взаимодействия –сильное, слабое и электромагнитное, еще не разичаются и являются различными формами единого взаимодействия. Физики называют эту фазу ЭРОЙ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ .

Из двух квантов гамма - излучения возникают пары электрон-позитрон.

Это хорошо известный в настоящее время процесс:

g + g ó е + + е -

Когда температура несколько упала, электрон-позитронные пары начали аннигилировать. При аннигиляции каждой такой пары выделяются два фотона, обладающие высокой энергией, то есть гамма лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

Чем больше энергия квантов, тем более массивные частицы могут образовываться в результате взаимодействия.

По мнению современной физической теории, в ранней Вселенной должны были существовать уникальные условия, способствующие возникновению кварков и антикварко в - этих первичных кирпичиков Вселенной. В этот момент кварки либо могли находиться в свободном состоянии, либо существовать в виде кварк-глюонных струй.

В момент времени менее миллисекунды температура была настолько высокой, что доминировали сильные взаимодействия. В результате из кварков формировались тяжелые частицы класса адронов – мезоны и антимезоны , протоны и антипротоны , а также некоторые экзотические виды ядерных частиц, например гипероны. Процесс рождения ядерных частиц оказывал в высшей степени стабилизирующее действие. Начальная анизотропия быстро сглаживалась, в результате Вселенная стала изотропной и наполнялась излучением.

С понижением температуры спустя несколько микросекунд после большого взрыва пары адронов, тяжелых элементарных частиц, практически полностью аннигилировали. Завершилась адронная эра, когда доминировали сильные взаимодействия.

Далее наступил период слабых взаимодействий. В результате слабых взаимодействий происходил радиоактивный распад свободных нейтронов, оставшихся после адронной эры на электроны и протоны, а мезонов на мюоны и антинейтрино.

n° → p + + ē + ν

p + + ē → n° + νˉ

Именно в это время происходит образование нейтрино и антинейтрино . Эти частицы относятся к классу лептонов, соответственно во Вселенной наступила лептонная эра. В лептонную эру Вселенная состоит из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Через 0,2 секунды после сингулярности происходит отрыв нейтрино от вещества . Эти частицы с огромной скоростью разлетаются по всему пространству Вселенной.

В течение короткого периода в начале эры присутствуют также электрон-позитронные пары. Спустя одну секунду с момента Большого взрыва условия меняются. Температура опускается менее 10 млрд К, .и электрон-позитронные пары аннигилируют. Реакции образования нейтронов прекращаются. В этот период во Вселенной на каждые шесть протонов приходится один нейтрон(это соотношение сохраняется во Вселенной до настоящего времени).

Затем происходят события, в которых нейтрон активно участвует. Идет процесс синтеза более тяжелых элементов из более легких. Этот процесс называется термоядерным синтезом.

Когда температура Вселенной упала до 1 млрд. К. начинаются реакции синтеза.

При такой температуре энергии протонов и нейтроно уже не хватает для сопротивления сильному ядерному взаимодействию. Они начинают объединяться между собой. Сначала нейтрон захватывается протоном и образуется ядро дейтерия. Дейтерий легко поглощает нейтроны. На следующей стадии образуется тритий, и, наконец – тритий вступает в реакцию с протоном и образуется ядро гелия. Почти все нейтроны оказываются связанными в ядра гелия. В результате термоядерного синтеза во Вселенной образовалось 25% по массе гелия, остальное вещество состояло из свободных протонов. Большой взрыв создал гелий. Такое соотношение водорода и гелия во Вселенной (75% : 25%) могло образоваться только при тех условиях, о которых идет речь. Любые изменения условий приведут к другому соотношению этих элементов во Вселенной. Затем температура упала, и дальнейший синтез более тяжелых ядер прекратился. Образовалось очень незначительное количество ядер лития и бериллия.

Через несколько часов после Большого взрыва образование ядер прекратилось. В этот период все вещество находится в форме плазмы - некоего промежуточного состояния. Спустя 10000 лет она остыла примерно до 3 тысяч К, протоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли спокойно захватывать свободные электроны и превращаться в нейтральные атомы этих элементов. Плазма стала нейтральной. В этот момент излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что называется сейчас реликтовым излучением. Оно поступает сейчас из всех точек небосвода и не связано с каким-нибудь отдельным источником. Именно этот факт и послужил одним из аргументов, подтверждающих, что Большой взрыв был. Этот период получил название периода отделения вещества от излучения .

Так как нейтральное вещество взаимодействует с излучением гораздо слабее, чем полностью ионизованное, длина пробега квантов этого "реликтового" (остаточного) излучения превысила размеры Вселенной. Начиная с "эпохи рекомбинации", реликтовое излучение и вещество эволюционируют независимо. Эффект Доплера в расширяющейся Вселенной приводит к уменьшению наблюдаемой частоты реликтового излучения и, соответственно, температуры, определяющей форму его спектра. В настоящее время температура реликтового излучения составляет 2,7 К и наблюдается оно в виде радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Необходимо подчеркнуть: реликтовое излучение - единственный прямой источник информации о структуре Вселенной в эпоху рекомбинации, 10 - 12 миллиардов лет назад.

В следующие 300 тысяч лет расширение Вселенной проходило без особых изменений в ее составе и свойствах. Вывод о спокойной фазе расширения Вселенной следует из ее нынешнего однородного и изотропного состояния.

По мере расширения Вселенной фоновое излучение прошло через весь спектр, переходя из гамма-излучения в рентгеновское, затем в ультрафиолетовое, оптическое, инфракрасное. Наконец энергия фотонов упала до величины, соответствующей диапазону радиоволн. В любой заданный момент времени спектр излучения определялся температурой Вселенной. Характер излучения во Вселенной при этом не менялся, постепенно сдвигаясь в сторону более низкой температуры.

Важнейшим итогом этого периода стало то, что все электроны оказались связанными, а Вселенная стала прозрачной. С этого момента фотоны могли двигаться прямо без рассеяния.

После периода отделения вещества от излучения вещество остывает довольно быстро по сравнению с излучением. Согласно законам термодинамики при расширении газа темп снижения температуры в два раза превышает темп расширения. Температура излучения в свою очередь снижается с расширением системы лишь линейно. При этом фотоны теряют при расширении меньше энергии, чем медленно движущиеся частицы. В современной Вселенной оставшееся вещество практически потеряло всю температуру, которая составляет всего 3° К..

В тот период, когда температура достигла значений на уровне 3000°К, появилась возможность синтеза во Вселенной более тяжелых элементов.

В силу принципа неопределенности, в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества, так называемые флуктуации плотности. Современная физическая наука не может найти достаточно разумных объяснений факту появления таких флуктуаций. Все предположения носят предварительный характер, и нуждаются в уточнении. Одно из предположений основано на участии в этом процессе нейтрино.

Пока нейтрино двигались со скоростью, близкой к С, их флуктуации быстро рассеивались. Однако, через сотни тысяч лет, скорость их должна сильно замедлиться. Начиная с некоторого момента, крупные сгущения нейтрино уже не рассеиваются, и дают начало первым структурным образованием Вселенной. Эти образования состоят из вещества, а нейтрино играют роль центров притяжения для этих гигантских сгущений.

В расширяющейся Вселенной возникновение этих областей приводит к постепенному развитию медленно изменяющихся возмущений. Эти уплотнения возникли в период отделения вещества от излучения. Постепенно уплотнения увеличивались и внутри их развивались гравитационные взаимодействия. В итоге эти области престают расширяться и коллапсируют, в результате чего и образуются протогалактики. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникнуть простые образования, напоминающие блины.

Сжатие водородно-гелиевой плазмы в «блины» неизбежно привело к значительному увеличению их температуры. По мере расширения Вселенной, сжатие большого «блина» также порождало его неустойчивость, и он распадался на более мелкие подсистемы, которые стали зародышами галактик. Критической массой, при которой происходили эти процессы, была величина в 100 млрд. масс Солнца, протяженность облака- 150000 световых лет.

После сжатия протогалактическое облако не могло более оставаться однородным и сферически симметричным. Гравитация в нем превалирует над силами давления. Скорость сжатия вещества в облаке значительно превышала скорость звука. При таком сжатии газового облака неизбежно порождаются турбулентные потоки. В составе большого облака нарастают малые неоднородности. Происходит случайным образом распределенный по всему объему процесс газовой фрагментации. Результатом этого процесса является формирование фрагментов размером с ныне существующие галактики. В галактики довольно близки по своему размеру, который составляет в среднем около 30 000 световых лет. Только неправильные галактики оказываются несколько меньше обычных.

В условиях формирования облака при высоких температурах излучение свободно уходит из него, и оно начинает охлаждаться. Быстрое охлаждение фрагмента способствует его дальнейшей фрагментации, при которой начинают образовываться первичные звезды. Наступает ФАЗА ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД .

Образовавшиеся галактики распределены в пространстве Вселенной не случайным образом. Характер их распределения носит название корреляции галактик. Галактики сначала образуются из протогалактического облака, а потом постепенно скучиваются. Иерархия образования структур включает в себя группы галактик внутри бедных скоплений, которые потом входят в состав богатых скоплений. Вероятно, первоначальное их распространение было случайным, Затем вступили в действие гравитационные силы, которые привели к стягиванию галактик в большие скопления.

Интересным представляется проследить структуру видимой нами части Вселенной - Метагалактики . Метагалактика состоит из гигантских звездных систем, подобных нашей - галактик. Всего три таких объекта видны на небе невооруженным глазом, как слабосветящиеся размытые пятна - это Большое и Малое Магеллановы облака (в южном полушарии) и Туманность Андромеды. Многие миллионы других галактик можно видеть только в сильные телескопы. Несколько сотен галактик хорошо изучены. Для нескольких тысяч - получен спектр и определено рассеяние, для нескольких десятков тысяч даны оценки звездной величины и углового расстояния, описаны особенности внешнего вида. Все галактики классифицированы и помещены в каталоги под соответствующими обозначениями. Так, например Туманность Андромеды получила название М31 .

Проблемой изучения галактик и их классификации занимался Э.Хаббл. По внешнему виду и характеру распределения яркости он разделил все галактики на эллиптические, спиральные, линзовидные и неправильные.

Эллиптические - имеют в пространстве форму эллипсоидов с различной степенью сжатия. Некоторые из них обладают почти идеальной шарообразной формой (рис 1. Е0 –Е4), а некоторые сильно сплющены и похожи на линзу. Это линзовидные галактики (рис 1. Е5 – Е7). Они не имеют ядра, их яркость плавно возрастает от периферии к центру. Внутренняя структура отсутствует. Почти все они имеют в спектре преобладание красного цвета.

Спиральные галактики (S0 – Sс – Sвс) - наиболее часто встречаемы. Типичным представителем является наша галактика. В отличие от эллиптических, они имеют центральное ядро и структуру в виде спиральных рукавов. Вещество в них присутствует не только в спиральных ветвях, но и между ними. В рукавах сосредоточены наиболее яркие горячие звезды, молодые звездные скопления и светящиеся газовые туманности. Все они имеют центральный звездный диск, сфероидальную составляющую, похожую на небольшую линзовидную галактику и плоскую составляющую или рукава.

Неправильные галактики имеют несимметричный вид, содержат горячие звезды, молодые звездные образования и большие количества межзвездного газа. Именно такими оказались ближайшие к нам галактики Магеллановы облака. Именно в галактиках такого типа обнаруживаются интересные небесные явления – вспышки сверхновых и т.д

Все галактики рассредоточены в Метагалактике не случайно, а находятся по узлам нерегулярной сети, напоминающей своим расположением соты пчелиного улья. Между этими узлами галактик практически нет.

Галактики - этот системы звезд и связанные с ними межзвездные среды - разреженный газ с небольшой примесью твердых пылинок . Диаметры галактик составляют 50- 70 и более килопарсек. Встречаются и карликовые системы, размеры которых на порядок меньше. Все галактики обладают довольно интенсивным радиоизлучением.

В космическом пространстве существуют галактики с аномальными свойствами.

Радиогалактики . Они относятся к числу массивных эллиптических галактик и отличаются аномально высоким радиоизлучением – в десятки тысяч раз выше, чем у нормальных. Механизм излучения связан с выбросом из них больших облаков частиц, движущихся в магнитном поле. Одна из таких галактик находится в созвездии Центавра. Всего обнаружено около 500 таких объектов.

Квазары . В 1963 году были открыты мощные источники радиоизлучения, которые назвали квазизвездными, или квазарами. Мощность выделения ими энергии в сотни и тысячи раз больше, чем у обычных галактик. Известно около 1500 таких объектов. Ряд особенностей квазаров связывают их с ядрами галактик- компактность, переменность излучения, нетепловой характер спектра. Характерная особенность спектров- в них красное смещение достигает максимальных размеров. Вероятно, это наиболее удаленные от нас объекты, разлетающиеся со скоростью, близкой к С.

Пояс квазаров расположен на расстоянии 600 мегапарсек от Млечного пути. Дальше и ближе они практически отсутствуют. Вероятно, их образование было приурочено к определенному периоду в развитии Вселенной. Это ядра галактик, находящиеся на каком–то этапе своей эволюции.

Современное состояние Вселенной еще очень плохо изучено. Однако, вероятно уже существует ответ на вопрос: Какова современная форма вселенной?

Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму. И одно из главных таких свойств топологии Вселенной - ее кривизна. Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения. Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна .

Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной.

Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX задался целью ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? Оказалось, что в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает, как евклидова. Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод. При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи - относительно больших, медленно движущихся объектов - именно в евклидовой Вселенной. То есть, ученые довольно уверенно говорят о том, что пространство нашей Вселенной должно удовлетворительно описываться геометрией Евклида, как трехмерное пространство очень малой кривизны

До недавнего времени теоретики рассматривали все возможные варианты дальнейшей эволюции Вселенной: бесконечный разлет, сжатие, стационарное состояние.

Вывод о том, что наша Вселенная будет расширяться вечно с все увеличивающейся скоростью, был признан самым важным научным открытием в астрономии за последние 3 года.

Две группы астрономов, тщательно исследуя свет, приходящий к нам от самых удаленных звезд, пришли к выводу, что вещество во Вселенной разлетается все быстрее и быстрее. Мало того, этот разлет будет продолжаться вечно. В работах принимали участие американские астрономы из университетов Вашингтона, Сиэтла и Берклиевской национальной лаборатории в Калифорнии. Позднее их результат был подтвержден и другими группами. Впервые за весь прошедший век сделано ясное утверждение о сценарии развития Вселенной на экспериментальной основе. Полученный результат возрождает очень популярную в начале века идею (активно опровергавшуюся Альбертом Эйнштейном) о том, что есть сила отталкивания между массами вещества, работающая против гравитационной силы притяжения. Наличие такой силы могло бы помочь объяснить открытый разлет Вселенной.

Что же будет ожидать такую Вселенную в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Эра светящегося вещества закончится и вселенная погаснет. Наступит тепловая смерть Вселенной , которую предсказали Клаузиус и Гельмгольц еще в середине XIX века.

Согласно теории, разработанной английским астрофизиком С. Хокингом , черные дыры поглотят оставшееся вещество вселенной. Сами они будут медленно испаряться, выделяя в пространство поток элементарных частиц. Через 10 66лет они начнут взрываться, выбрасывая в пространство поток частиц, античастиц и излучения. Частицы аннигилируют с античастицами, и излучение равномерно рассеется в пространстве. Это будет полностью неупорядоченное состояние с максимальным уровнем энтропии.

1. Введение.

2. Современные космологические модели Вселенной.

3. Этапы космической эволюции.

4. Планеты.

5. Кометы.

6. Астероиды.

7. Звёзды.

8. Использованная литратура.

Введение.

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; системы галактик - Метагалактики.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований - гигантских облаков пыли и газа - газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во
Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

Современные космологические модели Вселенной.

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой
Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. 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 всесуществующая, "мир в целом". 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 и изотропны.

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

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной
А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.

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 oт 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. российский математик и геофизик Л.А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.

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
Лобачевского и так же 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. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер.
Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.

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.

Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.

Этапы космической эволюции.

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет.

Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарной частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке выдвинут гак называемый антропный принцип в космологии. Суть его заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой.

Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре
(выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной - в 4 000 млн paз больше, чем у воды

В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.

Планеты.

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны в древности. Уран открыт в 1781 г. В. Гершелем.
В 1846 году открыта восьмая планета – Нептун. В 1930 г. американский астроном К. Томбо нашел на негативах медленно движущийся звездообразный объект, который оказался новой, девятой планетой. Ее назвали Плутоном. Поиски и открытие спутников планет Солнечной системы продолжаются до настоящего времени.
Планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс объединены в одну группу планет земного типа. По своим характеристикам они значительно отличаются от Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, которые образуют группу планет-гигантов.

На дисках Марса, Юпитера и Сатурна заметно множество интересных деталей. Одни из них принадлежат поверхности планет, другие – их атмосфере (облачные образования)

При наблюдении за Марсом в период противостояния можно увидеть полярные шапки, меняющиеся по временам года, светлые материки, темные области (моря) и периодическую облачность.
Видимая поверхность Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору.
Кольца Сатурна – один из самых красивых объектов, которые можно наблюдать в телескоп. Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком, называемым щелью Кассини. Среднее кольцо является самым ярким. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет.
Опытные наблюдатели отмечают на диске Венеры наличие туманных пятен, вид которых меняется от дня ко дню. Эти пятна могут быть только деталями облачной структуры. Облака на Венере образуют мощный сплошной слой, полностью скрывающий от нас поверхность планеты.
Уран нельзя наблюдать невооруженным глазом. Он виден только в телескоп и выглядит маленьким зеленоватым диском.
Плутон, наиболее далекая среди известных нам планет Солнечной системы, в телескопе выглядит как звезда. Блеск его испытывает периодические изменения, видимо, связанные с вращением (период 6,4 суток).