Основные понятия, включенные в систему тренинг-тестирования:

Вселенная (Универсум) ;метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; антропный космологический принцип (АКП); гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».

Вселенная (Универсум ) - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой , или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология - один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология- это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии - весь окружающий нас мегамир, вся "большая Вселенная", ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные "протозвездные образования" с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной . Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую "ядерную каплю". По каким-то причинам эта "капля " пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется Большим взрывом .

При данной оценке времени образования Вселенной предполагалось, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной - гигантской "ядерной капли", пришедшей в состояние неустойчивости.

В настоящее время космологи предполагают, что Вселенная не расширялась "от точки до точки", а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Современная космология располагает рядом аргументов в пользу картины “пульсирующей Вселенной". Такие аргументы, однако, носят чисто математический характер; главнейший из них -необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос какая из двух гипотез - "ядерной капли" или "пульсирующей Вселенной" - справедлива, мы сейчас не можем. Потребуется еще очень большая работа, чтобы решить эту одну из важнейших проблем космологии.

Идея эволюции Вселенной сегодня представляется вполне естественной. Так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления. Рассмотрим, какие этапы прошло развитие науки о Вселенной в ХХ столетии.

Современная космология возникла в начале XX в. после создания релятивистской теории тяготения. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштейном в 1917 г. Однако она описывала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922- 1924 гг. советским математиком А.А. Фридманом были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться. Такой результат - неизбежное следствие наличия сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься (модель пульсирующей Вселенной). Отсюда следовал пересмотр общих представлений о Вселенной. В 1929г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью астрофизических наблюдений открыл расширение Вселенной , подтверждающее правильность выводов Фридмана.

Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - у сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением . К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.

Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные . Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существования в нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета. Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л.Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции, проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур - от космических до социальных.

Космология - это комплексное рассмотрение нашей Вселенной с научной и философской точки зрения. Ее зарождение началось ещё во времена древних людей. Они очень увлекались мифами, поклонению богам, первым изучением звёзд и т. д. Благодаря древним людям мы узнали о существовании первых планет. В основе изучения космологии лежит сопоставление физических свойств Вселенной.

Понятие космологии с точки зрения науки

Космология - это наука, которая объединяет астрофизику и астрономию. Данные для нее получают путем наблюдения за астрономическими изменениями во Вселенной. Для этого применяются законы относительности, которые были приняты ещё самим Альбертом Эйнштейном. Уже в 20-х годах XX века эта наука была отнесена к классу точных, до этого она считалась частью философских учений. Современная космология на сегодняшний день становится очень популярной. Она объединяет в себе новые открытия в сфере физики, астрономии, астрологии и философии. Последним достижением является так называемая теория Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная меняется в своих размерах из-за высокой плотности и температуры.

Исторические аспекты становления данной науки

Ещё в начале XX века, перед тем как заявить о своем открытии, учёный должен был не только теоретически, но и практически доказать уникальность результатов. Но вернемся в древние века, когда люди только начинали делать свои первые шаги в астрономии. Ещё в Древнем Египте, Китае, Индии, Греции ученые занимались наблюдением за небесными явлениями. Благодаря этому был создан лунный календарь, по которому очень длительное время ориентировались жители Земли.

Античная космология была основана на различных мифах и легендах. Аристотель был основателем теории гомоцентрических сфер: наша планета лежит на поверхности полой сферы, центр которой является центром Земли. Именно поэтому тогда была очень популярна модель божественного происхождения Земли. В дальнейшем происходило изменение учений с каждым последующим веком. Древние физики утверждали, что вокруг Земли происходит движение планет, а сама она находится непосредственно в центре самой Вселенной. Однако все это было лишь теорией, практических подтверждений на тот момент не было.

Современное развитие космологии как науки

Лишь в XV веке Николаю Копернику удалось обобщить все существовавшие на тот момент знания. Согласно его теории, в центре нашей Вселенной находится Солнце, вокруг которого постоянно движутся планеты, в том числе и Земля с Луной. В основу своей теории Коперник положил утверждения таких учёных, как Аристарх Самосский, Леонардо да Винчи, Гераклит и Кузо.

Ещё один большой шаг в развитии этой науки был сделан Кеплером. Он создал свои известные три теории, которые в дальнейшем использовал Исаак Ньютон для своих законов динамики. Именно благодаря этим законам люди увидели абсолютно другой подход к движению планет во Вселенной. Таким образом, можно сделать вывод, что космология и физика были очень тесно связаны между собой. Космология кратко дает общие понятия процессов, происходящих в нашей Вселенной.

Основные концептуальные взгляды космологии

Ещё древние люди искали ответ на вопрос: "Какое место наш окружающий мир занимает в самой Вселенной?" В Библии было написано, что наша Вселенная в самом начале была абсолютно невидимой и непримечательной. Эйнштейн утверждал, что Вселенная не движется и находится в стационарном положении. Однако позднее ученый Фридман доказал, что за счёт определенного движения происходит ее постепенное сужение и расширение. С помощью результатов исследований, полученных астрономом Хабблом, были с точностью измерены расстояния до галактик. Именно благодаря его открытиям и возникла так называемая теория Большого взрыва.

Основы теории Большого взрыва

Согласно ее положениям, начинать отсчет возраста Вселенной нужно с момента ядерного взрыва. Таким образом, ученые получили результат в 13 млрд лет. На сегодняшний день положения астрофизики для космологии имеют только теоретический аспект. В первые секунды после Большого взрыва произошло развитие частиц под названием "кванты", затем спустя время стали появляться кварки, которые имели разные виды взаимодействий. Лишь спустя 0,01 с после взрыва начали свое развитие различные звёзды, галактики и собственно сама Солнечная система.

Что изучает космология?

Это наука, которая объединяет знания по физике, математике, астрономии и философии. Космология изучает Вселенную как одно целое. В её основе лежит изучение появления всех небесных тел (планеты, Солнце, Луна, метеориты и т. д.), а также звездных скоплений. Теоретические утверждения космологии почерпнуты из астрономии, в некоторых случаях даже из геологии, а практические - из физики.

Понятие Вселенной в космологии

Исходя из утверждений ученых, Вселенная состоит из определенных структур: галактик, звёзд и планет. Каждая из них прошла определенную эволюцию:

• прототипом галактик в древние времена были протогалактики;
• для звезд это протозвёзды;
• для планет - протопланетные облачные образования.

Самой изученной частью на данный момент является метагалактика. Это объединение большого числа галактик, которые находятся в поле зрения астронавтов. Их распределение неравномерно, что экспериментально доказано в астрономии. На сегодняшний день учёные занимаются изучением большого пространства, в котором абсолютно отсутствуют галактики. По возрасту метагалактика приближена к Вселенной.

Сама по себе галактика с точки зрения астрономии - это совокупность звёзд, туманных образований, которые со временем объединяются в достаточно плотную структуру. Они бывают различных форм и размеров. Самой известной из них считается Млечный путь, который может видеть каждый из обитателей Земли. Также в состав галактик входит газ и космическая пыль. Звёзды совершенно разные по возрасту: одни из них могут быть возрастом, как сама Вселенная, другие могут только родиться. Их зарождение происходит при воздействии гравитации, магнитной и других сил.

Таким образом, можно сделать вывод, что космология Вселенной на сегодняшний день обладает очень многими знаниями, однако в тоже время таит в себе много загадок. разгадать которые под стать только самым гениальным учёным.

Проблемы теории Большого взрыва

Космология - это относительно молодая наука. Она стала существовать отдельно лишь с середины XX века. Её основные доводы экспериментально доказаны благодаря учёным из области астрономии, которые вели наблюдения за нашей Вселенной. Космология - это постоянно развивающаяся наука, она не стоит на месте. Те теоретические данные, которые были выдвинуты несколько десятилетий назад, уже получили экспериментальное подтверждение или опровержение.

Например, во времена учений Эйнштейна и Фридмана плотность Вселенной могла иметь любое значение. Сегодня научно доказано, что эта величина составляет критическое значение р кр. Таких примеров можно привести огромное количество.

Существует ряд основных проблем космологии, которые остаются актуальными на сегодняшний день:

• плоскость Вселенной;
• горизонт Вселенной (выглядит идентично с разных направлений);
• откуда возникли гравитационные уплотнения, в результате которых образовались галактики;
• из каких именно веществ на самом деле состоит наша Вселенная;
• согласно теории квантовой гравитации космологическая постоянная должна быть выше в 120 раз;
• как между собой согласуются время жизни Вселенной и звезд.

Различие между астрономией и космологией

1. Космология - это наука о Вселенной как едином целом, астрономия же изучает лишь звёздные тела.
2. Астрономия возникла у древних людей намного раньше, они ориентировались только по звёздам, поклонялись древним богам и т. д.
3. Космология объединяет знания из астрофизики, физики, философии, геологии, космогонии и астрономии.
4. В космологии ученые не привязывают свои теории к конкретным планетам, а трактуют их как бы обобщенно.
5. Астрономия не полагается практически ни на один закон физики, в то время как в основе космологии лежат многие физические утверждения.
6. Космология, в отличие от астрологии, не относится к строгим наукам. Ряд её предположений не несет никакого практического подтверждения.
7. Астрономия включает в себя наблюдения за космическими явлениями, в то время как космология находит объяснения для каждого из них.

Однако даже на сегодняшний день многие ученые считают, что космология является частью астрономии и не относят её к отдельным направлениям.

В современной науке сделано много открытий, которые позволяют расширить знания о нашей Вселенной. Некоторые из теорий подтверждены учеными мира экспериментально. Однако остается ещё много задач, которые требует тщательного изучения и материальной базы. Даже сегодня не существует единого мнения, что собой представляет Вселенная, из какого вещества она состоит. Это и является одним из заданий учёных в области не только космологии, но и сопутствующих ей наук. Знания об окружающем нас мире растут в геометрической прогрессии, но наряду с ними появляется все больше дополнительных вопросов. Для космологии это можно считать нормальным путём развития и становления как отдельной науки.

Введение……………………………………………………………………………………3

1. Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание…………………………………………………………………………………4

2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идее гелиоцентризма и становление классической научной космологии………………………………………..5

3. Строение галактик, звезд, планет……………………………………………………..11

4. Концепции происхождения солнечной системы…………………………………….14

Заключение………………………………………………………………………………..17

Список используемой литературы………………………………………………………19

Введение

Космология – один из разделов астрономии. Другие ее разделы изучают конкретные космические объекты с различных точек зрения. Космология же претендует на изучение Вселенной как целого. Точнее, космология есть физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. В этом определении надо различать понятия «учение» и «теория»: учение здесь предполагается более общим понятием, чем теория. Теория – такое учение, которое может и должно быть проверяемо эмпирическими данными, тогда как учение вообще может быть такой проверке и не доступно. Поэтому теория Вселенной как целого невозможна. Но зато возможна теория всего охваченного астрономическими наблюдениями мира. При этом – поскольку никакая часть Вселенной не является физически изолированной системой – теория всего охваченного наблюдениями мира должна рассматривать его как часть Вселенной. В то же время (поскольку космология основывается не только на эмпирических данных, но и на основных законах физики, то есть основных физических теориях, область применимости которых в принципе выходит сколь угодно далеко за пределы охваченного наблюдениями мира) возможно учение о Вселенной как целом, основанное на этих законах. Выводы этого учения, выходящие за границы охваченного наблюдениями мира, не доступны непосредственной эмпирической проверке. Критерием их правильности может служить их сохранение при смене основных физических теорий, лежащих в основе космологии, новыми, более общими и, следовательно, опирающимися на несравненно более широкий круг фактов.

Разумеется, кроме эмпирических и физико-теоретических данных для космологии существенны философские принципы, поскольку она соприкасается с коренными вопросами философии и, кроме того, не может обойтись без далеко идущих обобщений и экстраполяций. Следует заметить, что в применении ко Вселенной словосочетания «как целое» имеет существенно иной смысл, чем в применении к материальному миру: «Вселенная как целое» означает Вселенную в ее отношении ко всем ее частям (областям) и все части Вселенной в их отношении ко Вселенной, иначе говоря, единство всех частей Вселенной. В отношении же к материальному миру словосочетание «как целое» означает единство всех его аспектов (сторон).

1.Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание.

Объектом естествознания является природа, то есть весь окружающий нас мир. Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие "Вселенная". Оно может считаться эквивалентом понятия "природа". В более узком смысле под Вселенной понимается окружающий нас мегамир - совокупность макроскопических тел, их систем астрономического (то есть гигантского) масштаба. Макроскопические тела - это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов, молекул). Более конкретно, мегамир - это мировое пространство, небесные тела, их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом. Значение слова "космос" в греческом языке - "порядок, гармония, красота". Это слово родственно слову "косметика", смысл которого "искусство украшать". Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор. Понятие "космос" часто используют в качестве синонима понятия "Вселенная". В популярной литературе "космическое" очень часто противопоставляют "земному", хотя Земля объект Вселенной.

Наблюдаемая область Вселенной называется Метагалактикой. Ее границы по мере совершенствования астрономических инструментов расширяются, но существует принципиальный предел, обусловленный конечностью скорости света. В настоящее время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).

Используемый термин "мегамир" наиболее абстрагирован от понятий конкретных наук, более других терминов наполнен физическим содержанием.

Изучение Вселенной началось, продолжается в течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило почти исключительно оптическими методами. Это связано с тем, что человеческий глаз оставался единственно возможным приемником электромагнитного излучения, к тому же очень чувствительным. Кривая видности (спектральной чувствительности) человеческого глаза соответствует кривой распределения энергии в спектре Солнца. Поэтому доступной областью излучения космических тел был диапазон от 0.4 до 0.7мкм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими; изучалось только расположение светил, их видимое движение на небесной сфере.

Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира - Птолемея, Коперника. Сейчас астрономы научились определять расстояния, как до тел Солнечной системы, так, более удаленных объектов: звезд, галактик. Тем самым удалось представить геометрическую структуру мира.

Оптические наблюдения, в настоящее время не потеряли своего значения. Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе, нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Наблюдения в рентгеновском, g-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни (пульсары, черные дыры, т.д.).

Наука, изучающая мегамир, называется астрономией. Астрономия - составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук. Нейтринное излучение Солнца находится в ведении "чистых" физиков. В контактных исследованиях космических тел участвуют физики, химики, инженеры, космонавты. В будущем науки, изучающие мегамир, будут более обширными, глубокими, чем их земные аналоги.

2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идеи гелиоцентризма и становление классической научной космологии.

Современная космология – это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивисткой термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюция Вселенной как целого. Космологию можно называть наукой о космосе. В наше время космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так как было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу – «беспорядку». Таким образом, масс и их движения. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считается действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (так называемый антропный принцип). К настоящему времени сложились определенные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя привести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно провести бесконечное в принципе 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.

К Вселенной в целом 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, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.

В свое время революционный переход от геоцентризма к гелиоцентризму имел драматический характер.

Коперник, будучи каноником и посвятив папе Павлу III труд всей своей жизни "О вращениях небесных сфер" или, как написано в посвящении этого сочинения и решился опубликовать его лишь накануне своей кончины (1543).

Хотя еще Николай Кузанский (1401-1464), философ, ученый, теолог, религиозный проповедник, ревностный католический деятель, ближайший советник папы Пия II, кардинал и епископ, за сотню лет до того утверждал, что Земля, как и любое другое тело, не может быть центром Вселенной:

Итальянский монах, теолог, философ и поэт Джордано Бруно (1548-1600), ставший последователем Николая Кузанского и Николая Коперника и страстным проповедником идеи множественности обитаемых миров, был обвинен инквизицией в ереси и сожжен на костре в Риме.

Однако в 1616 г. комиссия из 11 ученых экспертов представила инквизиции мнение об отстаиваемой Галилеем гелиоцентрической концепции, которое оценивало ее как философски абсурдную и не согласующуюся с доктриной Священного Писания. И мнение этой комиссии довел до сведения Галилея тот же кардинал Беллармин, обязав его отказаться от пропаганды гелиоцентрической системы. Все коперниканские сочинения были включены инквизицией в индекс запрещенных книг.

Тем не менее, Галилео Галилей, правоверный христианин и выдающийся ученый физик, механик и астроном, опубликовал в 1632 г. свой "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой" (получивший вначале апробацию церковных властей и разрешение на выпуск в свет), но сразу же в 1633 г. был сурово осужден инквизицией за отстаивание учения Коперника.

Английский астроном Джеймс Брадлей (1693-1762), пытаясь измерить параллактическое смещение звезд вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца, обнаружил значительное смещение их в сторону, противоположную параллактическому (1727), и вскоре нашел правильное объяснение такого смещения: оно связано с годичным орбитальным движением Земли вокруг Солнца и является следствием конечной скорости света (1729). Это открытие аберрации света было первым прямым наблюдательным подтверждением гипотезы Коперника об орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Позднее российский астроном и геодезист Василий Яковлевич Струве (1793-1864) в Дерптской обсерватории, немецкий астроном и геодезист Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) в Кенигсбергской обсерватории, а также Т. Хендерсон в обсерватории на мысе Доброй Надежды независимо друг от друга и почти одновременно впервые успешно измерили годичные звездные параллаксы, связанные с орбитальным движением Земли вокруг Солнца (1837-1840).

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868) экспериментально доказал суточное собственное вращение Земли вокруг ее полярной оси, проведя специальные опыты со свободно качающимся маятником ("маятник Фуко") и наблюдая соответствующее систематическое отклонение плоскости качания от начального положения в данном месте на поверхности вращающейся Земли (1851).

Переход от геоцентризма к гелиоцентризму, казалось бы, окончательно обоснованный, вовсе не означает, что геоцентрическая система отсчета утратила всякий смысл: люди по-прежнему живут на Земле и все непосредственные наблюдения, даже астрономические, относят к ней, отвлекаясь от ее движения.

Попытки обнаружить абсолютное движение Земли относительно мирового эфира или установить его увлечение Землей при ее движении, неоднократно предпринимавшиеся американским физиком Альбертом Абрахамом Майкельсоном (1852-1931) и другими, неизменно приводили к отрицательному результату.

Это объяснила лишь созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955) специальная теория относительности (1905). А созданная тем же Эйнштейном, исходя из характерного для классической механики Ньютона тождества гравитационных и инертных масс (или, иначе, исходя из локального принципа эквивалентности гравитационных и инерциальных сил), так называемая общая теория относительности, то есть релятивистская теория пространства, времени и гравитации (1915-1916), в свою очередь, не только предопределенная ньютоновскими динамическими законами, но и сама определяющая эти исходные классические законы со всеми их теоретически ожидаемыми уточнениями, привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще: Метагалактика, или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое, стала описываться однородной и изотропной безграничной (сферически замкнутой) релятивистской космологической моделью.

Следует упомянуть еще одного видного французского ученого Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912), который независимо от Эйнштейна развил математические следствия "постулата относительности".

Первой релятивистской космологической моделью была предложенная самим Эйнштейном стационарная конечная сферически замкнутая модель с положительной средней плотностью массы или эквивалентной ей энергии, сохраняющая свою стабильность за счет уравновешивания общей гравитации (или, по существу, ньютоновского всемирного тяготения в виде квазиупругой силы Гука).

Затем российский физик, геофизик и космолог Александр Александрович Фридман (1888-1925) получил целую серию нестационарных однородных и изотропных релятивистских космологических моделей, систематически равномерно расширяющихся или сжимающихся, а также циклически пульсирующих, причем не только с первоначально дополнительно постулированной Эйнштейном особой космологической постоянной, но и без нее (1922).

Эйнштейн сначала высказал сомнение относительно теоретической обоснованности космологических моделей Фридмана, но вскоре признал необоснованность своего сомнения.

С другой стороны, американский астроном Эдвин Поуэлл Хаббл (1889-1953), сопоставляя наблюдаемое систематическое копплеровское "покраснение" далеких галактик с их расстояниями от нас, установил, что эти галактики систематически равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, то есть вся наша Метагалактика систематически равномерно расширяется (1929).

Выяснилось, что нашу в среднем достаточно однородную и изотропную Метагалактику, которая систематически равномерно расширяется, действительно, можно адекватно описывать соответствующей релятивистской космологической моделью Фридмана. В итоге Эйнштейн отказался от первоначально дополнительно постулированной им особой космологической постоянной.

Эта третья глобальная (общая) естественнонаучная революция, радикально преобразовавшая прежде всего астрономию, космологию и физику, означала принципиальный отказ вообще от всякого центризма.

Если каждую из этих трех закономерных последовательных глобальных естественнонаучных революций, которые начинались с решения фундаментальных астрономических проблем, сопровождались радикальным пересмотром прежних космологических представлений о наблюдаемом мире или о всей Вселенной в целом (как правило, в направлении, по возможности, все более и более полного преодоления исходного антропоцентризма или эгоцентризма) и завершались подведением или возведением необходимого нового физического фундамента под надлежащие радикально пересмотренные космологические представления обо всем мироздании, персонифицировать по имени ученых, физически завершавших эти революции, то рассматриваемые революции условно можно назвать аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

Человек, действительно, не является центром Вселенной, но вся непосредственно наблюдаемая нами огромная по своим пространственно-временным масштабам и систематически расширяющаяся Метагалактика, со всеми ее галактиками типа нашей Галактики, содержащими звезды типа нашего Солнца, с околозвездными планетными системами типа нашей околосолнечной планетной системы, с планетами типа нашей Земли, оказывается типичной обитаемой космической системой, именно с такими основными характеристиками, которые необходимы и достаточны для появления в ней живых организмов типа известных нам и для их развития вплоть до возникновения разумных существ типа нас самих.

В структурно неисчерпаемой Вселенной непосредственно наблюдаемая нами Метагалактика представляет собой, однако, лишь один из бесконечного множества всевозможных квазизамкнутых нестационарных макромиров, которые описываются соответствующими релятивистскими моделями Фридмана. С учетом квантовых представлений о дискретном строении материи каждый из этих, по крайней мере потенциально соприкасающихся друг с другом, квазизамкнутых макромиров, с заведомо доминирующим, во всяком случае в макромасштабах, универсальным фундаментальным физическим взаимодействием -гравитационным (т.е. всемирным тяготением), не только имеет внутреннюю микроструктуру (от которой можно отвлечься именно лишь в макромасштабах), но и снаружи, как бы отпочковываясь от соседних макромиров, при предельном сокращении его внешних размеров и эффективной массы, очевидно, должен представлять собой надлежащий микрообъект тина соответствующих элементарных или даже субэлементарных частиц (античастиц), каждая из которых, с характерными для них и принципиально существенными в микромасштабах специфическими фундаментальными физическими взаимодействиями электромагнитным. слабым или сильным, в свою очередь, потенциально содержит в себе или скрывает за собой целый макромир, то есть Вселенная в целом должна иметь так называемую макромикросимметрию.

Это четвертая глобальная естественнонаучная революция, предопределяемая явно необходимым и безусловно возможным, но окончательно еще никем не осуществленным синтезом доминирующей в макромасштабах континуальной (непрерывной) общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах и столь же обоснованными тем же Эйнштейном квантовыми (дискретными) представлениями о строении материи в искомую многими единую физическую теорию типа уже создаваемой в настоящее время принципиально единой теории всех фундаментальных физических взаимодействий гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного.

Каждый из трех великих преобразователей всего естествознания, какими были настоящие корифеи астрономии, космологии и физики Аристотель, Ньютон и Эйнштейн, не только физически завершил свою космологическую или глобальную естественнонаучную революцию, но и создал необходимые физические и космологические предпосылки для осуществления надлежащей последующей глобальной естественнонаучной революции, что позволяет еще именовать ньютоновскую революцию постаристотелевской, эйнштейновскую постньютоновской, а современную (текущую) - постэйнштейновской.

Космология: открытия и загадки

Космология – особая наука. Ее предмет – вся Вселенная, рассматриваемая как единое целое, как физическая система с особыми свойствами, которые не сводятся к сумме свойств населяющих ее астрономических тел и физических полей. Размеры наблюдаемой Вселенной приблизительно 10 миллиардов световых лет. Это самый большой по пространственному масштабу объект науки. К тому же он существует в единственном экземпляре. В этом отношении космология, очевидно, сильно отличается от других естественнонаучных дисциплин. Но, как и в любой науке, главное в космологии – надежно установленные факты, достоверные сведения о реальных объектах, процессах и явлениях. В статье известных российских астрофизиков рассказывается о четырех крупнейших открытиях в космологии и трудных загадках этой науки – как старых, так и совсем свежих, которые еще предстоит разрешить

Чем дальше, тем быстрее

Современная космология берет начало в первые десятилетия ХХ века. В 1915-1917 гг. американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что галактики (которые тогда называли туманностями) не стоят на месте, а движутся в пространстве, причем большинство из них удаляются от нас. Этот вывод следовал из наблюдений спектров галактик: их движение проявляло себя в сдвиге спектральных линий к красному концу спектра.

Такого рода красное смещение , которое можно интерпретировать как давно известный в физике эффект Доплера, имеет, как впослед­ствии оказалось, всеобщий характер: оно наблюдается у всех галактик во Вселенной. Исключение составляют только самые близкие к нам звездные системы, например, знаменитая туманность Андромеды и другие (менее крупные) галактики, находящиеся на расстояниях, не превышающих примерно 1 мегапарсек (1 Мпк ≈ 3,26 млн световых лет). Если расстояния больше 1 Мпк, то галактики, по выражению Слайфера, «разбегаются в пространстве».

В 1929 г. другой американский исследователь, Эдвин Хаббл, которого нередко называют величайшим астрономом ХХ в., определил, что движение разбегающихся галактик следует простому закону: скорость V удаления от нас галактики пропорциональна расстоянию R до нее: V = H R. Это соотношение между скоростью и расстоянием называют сейчас законом Хаббла , а коэффициент пропорциональности H – постоянной Хаббла. Величина H постоянна в том смысле, что она одинакова для всех галактик и не зависит ни от расстояния до галактики, ни от направления на нее на небе. По современным данным, значение постоянной Хаббла лежит в пределах от 60 до 75 км/с на мегапарсек.

Удаление галактик по закону Хаббла наблюдают сейчас вплоть до расстояний в несколько тысяч мегапарсек. Если галактика находится на расстоянии, скажем, 1000 Мпк, то она движется от нас прочь со скоростью 60-75 тыс. км/с. Это огромная скорость, которая лишь в 4-5 раз уступает скорости света. Всеобщее разбегание галактик - самый грандиозный феномен природы.

Открытия Слайфера и Хаббла, а также дальнейшие исследования заложили наблюдательную основу, на которой строится и развивается вся современная космология. Мы знаем теперь, что живем в огромном мире, который к тому же расширяется со временем. Расширение началось около 14 млрд лет назад; этот гигантский промежуток времени и считается возрастом мира. А событие, которое породило космологическое расширение, называют Большим Взрывом .

Но какова физическая природа Большого Взрыва? Откуда взялись у галактик огромные скорости разбегания? Что заставило их стремительно удаляться друг от друга? На эти вопросы не смогли ответить ни знаменитые астрономы-наблюдатели, основатели космологии, ни великие физики, начиная с Эйнштейна. Нет ответа на них и у космологов наших дней. Возможно, это самая трудная и самая не поддающаяся разрешению загадка из когда-либо возникавших в естественных науках. Мы не знаем, с чего, собственно, началось космологическое расширение, не имеем представления о физике, которая могла бы за этим стоять. Не известно даже, как нужно ставить задачу о причине космологического расширения. Тем более ничего нельзя сказать о том, что было до этого события, и даже не вполне понятно, что значит здесь «до».

И тем не менее сама возможность расширения мира была предсказана русским математиком Александром Фридманом, классиком мировой науки. Пользуясь теорией Эйнштейна, Фридман разработал в 1922-1924 гг. физико-математическую модель мира, который находится в состоянии общего расширения. Прямым следствием этой модели является закон пропорциональности скорости и расстояния, который и был открыт в наблюдениях Хаббла. Космологическая модель Фридмана – теоретическая база современной космологии. Эта модель в сочетании с данными астрономических наблюдений очень хорошо описывает динамику космологического расширения. Конечно, не с «самого начала», о котором ничего не известно. Но замечательно, что теория Фридмана справедлива сразу же после первой секунды космологического расширения. Кроме этой первой секунды, вся дальнейшая история мира нам известна; более того, эта теория говорит и о будущем Вселенной: она предсказывает, что космологическое расширение будет продолжаться неограниченно долго.

Лишний вес Вселенной

В 1933 г. швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что кроме светящегося вещества галактик во Вселенной должны быть еще невидимые, «скрытые» массы, которые проявляют себя только своим тяготением. Он изучал скопление галактик Кома в созвездии Волосы Вероники – крупное образование, содержащее тысячи звездных систем, подобных туманности Андромеды или нашей Галактике. Галактики движутся в этом скоплении со скоростями, достигающими 1000 км/с. Чтобы удержать их в объеме скопления, требуется тяготение, которое не способны создать одни только видимые, светящиеся массы самих галактик. Для этого необходимо более сильное тяготение, и, согласно подсчетам Цвикки, требуются дополнительные массы, которые примерно в 10 раз больше суммарной видимой массы галактик скопления.

Позднее, в 1970-х гг., усилиями астрономов СССР и США было обнаружено, что скрытые массы должны присутствовать не только в скоплениях галактик, но и в изолированных крупных галактиках. Яан Эйнасто, Вера Рубин, Джеремайя Острайкер, Джим Пиблс и их коллеги выяснили, что скрытые массы образуют невидимые гало галактик. Дело в том, что можно измерить зависимость скорости вращения спиральных галактик от расстояния до центра (кривая вращения ), которое прослеживается как внутри звездной системы, так и вне ее (по движению облаков нейтрального водорода). В области вне видимого диска галактики кривая вращения становится, как правило, плоской, т. е. практически не зависит от расстояния. Во всех случаях ход этой «плоской» зависимости указывает на присутствие скрытой материи и внутри звездной системы, и вне ее, причем масса невидимой материи в гало в 3-10 раз больше массы галактики.

Эти гало имеют почти сферическую форму, их радиусы в 5-10 раз превышают размеры самих звездных систем. Такие крупные галактики, как, скажем, туманность Андромеды или наша Галактика, состоят из звездного диска, погруженного в распределение невидимой массы, которое простирается на расстояния до 100 кпк. Эти темные гало, как и дополнительные массы у Цвикки, проявляют себя исключительно тяготением. Невидимое вещество, наполняющее гало галактик и скоплений, принято сейчас называть темной материей .

Другие интересные эмпирические данные, подтверждающие существование темной материи, связаны с эффектом гравитационной линзы . Скопления галактик создают эйнштейновский эффект отклонения света полем тяготения. Источником света служат в этом случае далекие галактики и квазары. Изображения галактик искажаются при прохождении их света в гравитационном поле скопления, служащего своеобразной гравитационной линзой. Различают сильное и слабое линзирование. При сильном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Это происходит, когда угловое расстояние между линзой и источником относительно невелико. При сравнительно больших угловых расстояниях искажение не так значительно (слабое линзирование), и оно сводится к изменению видимой формы источника, но уже без дробления его изображения. В обоих случаях этот эффект дает указание на массу скопления, служащего гравитационной линзой. Изучая такие искажения для сотен тысяч и миллионов далеких галактик, можно получить сведения о величине и распределении массы в скоплениях-линзах. Наблюдения такого рода неизменно указывают на то, что скопления содержат большие скрытые массы.

Открытие темной материи – второе (после открытия космологического расширения) важнейшее событие в истории космологии. Обычное вещество, из которого состоит планета Земля (и все, что на ней, включая и нас самих), Солнце, другие звезды, складывается всего из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. А темная материя, которой во Вселенной гораздо больше, имеет совсем другой состав: это не барионы (протоны и нейтроны), не электроны, а… неизвестно что.

Четверть века назад Я. Б. Зельдович активно развивал представление о том, что темная материя могла бы состоять из нейтрино. Космологические нейтрино (и антинейтрино) определенно имеются во Вселенной. Они вышли из равновесия с веществом, когда возраст мира был меньше одной секунды, и с тех пор присутствуют в космосе, взаимодействуя с остальными видами энергии практически только гравитационно. Их должно быть в среднем около 300 в каждом кубическом сантиметре пространства. В начале 1980-х гг. казалось, что лабораторный физический эксперимент позволяет этим частицам иметь массы, подходящие для того, чтобы нейтрино могли играть роль темной материи. Сейчас, однако, стало ясно, что массы нейтрино значительно меньше, так что на них можно списать в лучшем случае примерно 10 % темной материи. Каковы же тогда основные носители этой субстанции?

Одна из современных гипотез, выросшая из идеи Зельдовича, заключается в том, что темная материя состоит в основном из частиц, в некотором смысле очень похожих на нейтрино: они стабильны, не имеют электрического заряда и участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях. Однако такие частицы сильно отличаются от нейтрино по массе: они должны быть очень тяжелыми, примерно в 1000 раз тяжелее протона, так что энергия покоя такой частицы составляет около 1 ТэВ. Такие частицы до сих пор не были известны ни в теории, ни в физическом эксперименте. Если они действительно существуют, то, как показывает теория, они вполне могли бы присутствовать во Вселенной в нужном количестве. Таким путем космология приходит к интересному предсказанию: в природе должны существовать массивные стабильные слабовзаимодействующие элементарные частицы, на долю которых приходится примерно 25 % всей массы и энергии Вселенной, что в 4-5 раз больше, чем вклад барионов.

Возможно, нужные по свойствам новые частицы будут обнаружены на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, который готовится к проведению небывалых экспериментов. На этом мощнейшем ускорителе пучки протонов и ионов будут разгоняться до энергий более 10 ТэВ, что заметно превышает энергию покоя гипотетических темных частиц. В нескольких крупных лабораториях мира, в том числе и в России, строятся специальные установки для детектирования частиц темной материи, приходящих на Землю из гало нашей Галактики. Не исключено, что вопрос о физической природе темной материи будет решен уже в недалеком будущем. Во всяком случае эта загадка не кажется такой безнадежной, как природа космологического расширения.

Фон фотонов

В 1965 г. американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон обнаружили, что вся Вселенная пронизана электромагнитным излучением, приходящим на Землю изотропно, т. е. равномерно со всех направлений. Это третье из крупнейших открытий в космологии.

Максимум в спектре этого излучения приходится на миллиметровые волны, причем сам спектр, т. е. распределение по длинам волн (или частотам), совпадает по форме со спектром абсолютно черного тела. На языке квантов можно сказать, что в мире имеется газ фотонов, которые равномерно заполняют все пространство. Температура этого газа точно измерена: T = 2,725 K. Как видим, это очень низкая температура, она не выше трех градусов, считая от абсолютного нуля (по шкале Цельсия это −270°). Таких космических фотонов очень много во Вселенной: их почти в 10 млрд раз больше, чем протонов, если считать по числу частиц. В кубическом сантиметре пространства содержится примерно 500 реликтовых фотонов.

Само по себе изотропное космическое излучение не таит никаких особенных загадок. Это реликт, т. е. остаток, того состояния, в котором Вселенная находилась в очень далеком прошлом, в первые минуты своего расширения. В те времена в ней не было ни звезд, ни галактик, а все вещество распределялось в пространстве более или менее равномерно. Это можно себе представить, если мысленно обратить ход времени: глядя назад, мы увидим, что галактики не разбегаются, а сближаются между собой. И в определенный момент они должны перемешаться, так что их вещество окажется газом приблизительно однородной плотности. Этот газ должен быть очень горячим. Еще со школьной скамьи мы знаем, что при расширении тела охлаждаются, а при сжатии – нагреваются. Из физики известно также, что в горячем газе должны обязательно иметься фотоны, находящиеся с газом в термодинамическом равновесии. При расширении Вселенной фотоны не исчезают и должны сохраниться до современной эпохи.

Так рассуждал еще в 1940-х гг. Георгий Гамов, некогда студент профессора Фридмана в Ленинграде. Он построил теорию «горячей Вселенной», которую называют еще теорией Большого Взрыва, и на ее основе смог предсказать само существование этого остаточного, реликтового излучения. Более того, он предсказал и нынешнюю температуру реликтовых фотонов. По его расчетам, она не должна превышать 10 K. В одной из научно-популярных статей (в 1950 г.) Гамов написал, что температура должна быть примерно три градуса абсолютной шкалы. Как выяснилось через полтора десятка лет, предсказание оказалось очень точным. Многие считают, что это было самое красивое количественное предсказание во всей космологической теории.

Но кое-что не до конца ясно и с реликтовым излучением. Космологам не удается понять, почему реликтовых фотонов так много (по сравнению с протонами). Впрочем, правильнее было бы сказать, что это вопрос не о фотонах, а, скорее, о протонах: почему их именно столько, сколько известно из наблюдений? Ответа пока нет. С этой проблемой не удалось справиться даже А. Д. Сахарову, который считал ее одной из самых принципиальных как в космологии, так и во всей фундаментальной физике.

Открытие и изучение реликтового излучения отмечено двумя Нобелевскими премиями. Первая присуждена в 1978 г. Пензиасу и Вилсону, вторая – в 2006 г. Джорджу Смуту и Джону Матеру, которые в 1992 г. доказали, что реликтовое излучение – это действительно термодинамически равновесный газ фотонов определенной температуры. Это было сделано с помощью американского спутника COBE (Cоsmic Background Explorer). Кроме того, COBE измерил слабую - на уровне тысячных долей процента – анизотропию фонового излучения. Последняя представляет собой «отпечаток» первоначально слабых неоднородностей вещества ранней Вселенной, которые позднее дали начало наблюдаемым крупномасштабным космическим структурам – галактикам и скоплениям галактик.

В наши дни наблюдения реликтового излучения служат астрономам для изучения крупномасштабных свойств Вселенной. Самый яркий результат, достигнутый на этом пути в последние годы, касается геометрии трехмерного пространства, в котором происходит разбегание галактик. Начиная с Фридмана, космологи стремились выяснить тип геометрии реального пространства. Оказалось, что это обычная школьная эвклидова геометрия. Выходит, наш мир устроен не слишком сложно: по крайней мере его пространственная геометрия – самая простая из возможных.

Всемирное антитяготение

В 1998-1999 гг. две международные группы наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райсс, а другой – Сол Перлматтер, установили, что наблюдаемое космологическое расширение происходит с ускорением: скорости удаления галактик возрастают со временем. Открытие сделано с помощью изучения далеких вспышек сверхновых звезд определенного типа (Ia), которые замечательны тем, что они могут служить «стандартными свечами», т. е. источниками с известной собственной светимостью. Из-за исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, истинно космологических расстояниях, составляющих тысячи мегапарсек.

Вещество (считая и с темной материей) не способно ускорять галактики, а лишь тормозит их разлет: взаимное притяжение галактик стремится сблизить их друг с другом. Поэтому открытый астрономами факт ускоренного расширения указывает на то, что наряду с обычным веществом, создающим тяготение, во Вселенной присутствует особая космическая масса, или энергия, которая создает не тяготение, а антитяготение – всеобщее отталкивание тел. При этом в космологическом масштабе антитяготение сильнее тяготения. Новая энергия получила название темной энергии. Она дей­ствительно невидима: не излучает, не рассеивает и не поглощает света (и всех вообще электромагнитных волн); она проявляет себя только антитяготением.

Астрономы выяснили, что до расстояний примерно в 7 млрд световых лет космологическое ускорение положительно. Но на еще более далеких расстояниях ускорение, как оказалось, меняет знак: там оно отрицательно, а значит, на этих сверхбольших расстояниях космологическое расширение происходит с замедлением.

Примем теперь во внимание, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Это означает, что мы видим объекты такими, какими они были, когда испустили принимаемый нами сейчас свет. Солнце мы видим с задержкой в 8 мин, далекие галактики наблюдаем такими, какими они были миллиарды лет назад. Телескоп – это настоящая машина времени, позволяющая воочию видеть прошлое мира. Возраст мира составляет 13,7 млрд лет – таковы самые свежие космологические данные.

Сказанное только что о космологическом ускорении означает, что первую половину своей и­стории Вселенная расширялась с замедлением, а вторую – с ускорением. Первые 7 млрд лет расширяющаяся Вселенная практически не чувствовала присутствия в ней темной энергии: плотность вещества (темной материи и барионов) была значительно выше плотности темной энергии. Предполагается, что плотность темной энергии не зависит от времени, это величина постоянная. А плотность вещества убывает в ходе расширения, так что в прошлом она была выше, чем сейчас; по этой причине до определенного момента тяготение вещества было сильнее антитяготения темной энергии. Эти две силы как раз и сравнялись по величине примерно 7 млрд лет тому назад. С тех пор темная энергия доминирует, и эта эпоха антитяготения будет длиться неограниченно долго.

По совокупности различных наблюдений (включая и наблюдения реликтового излучения) к настоящему времени установлена доля каждого космического компонента в общем энергетическом балансе Вселенной. Эти компоненты сейчас называют видами космической энергии. На долю темной энергии приходится примерно 70 % всей энергии мира; на темную материю – 25 %; на обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны) – около 5 %; на реликтовое излучение – менее 0,1 %. Таков рецепт «энергетической смеси», заполняющей современную Вселенную. В ней, как мы видим, много «темного» – до 95 %. Это стало самой большой неожиданностью для астрономов, космологов и физиков.

Удивительно и достойно восхищения научное предвидение Эйнштейна: еще в 1917 г. он говорил о всеобщем космическом отталкивании как о возможном физическом феномене космологического масштаба. У Эйнштейна антитяготение описывается всего одной константой, которую называют космологической постоянной. Весь комплекс имеющихся сейчас наблюдательных данных о темной энергии прекрасно согласуется с таким описанием.

Эйнштейн не оставил нам физической интерпретации космологической постоянной. Согласно предложению Э. Б. Глинера, высказанному еще в 1965 г., космологическую постоянную можно рассматривать как физическую характеристику особого рода сплошной среды, идеально равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Плотность этой среды не только однородна, но и не зависит от времени, она одна и та же во всех системах отсчета. Из этого представления вытекают особые макроскопические свойства темной энергии. Так, оказывается, что у нее имеется давление, причем оно отрицательно, а по абсолютной величине равно плотности энергии (напомним, что плотность энергии и давление имеют одну и ту же размерность). Именно из-за своего отрицательного давления темная энергия создает антитяготение – это специфический эффект общей теории относительности.

Но каковы не макроскопические, а микроскопические свойства темной энергии? Из чего она состоит? В конце 1960-х гг., задолго до открытия темной энергии, Зельдович обсуждал возможную связь между космологической постоянной и квантовым вакуумом элементарных частиц и физических полей. Этот физический вакуум не есть абсолютная пустота, он имеет свою отличную от нуля энергию. Ее носителями служат так называемые нулевые колебания квантовых полей, всегда существующие в пространстве даже в отсутствие в нем каких-либо частиц. Если этот квантовый вакуум рассматривать макроскопически как некую среду, то ему следует приписать не только плотность энергии, но также и давление. При этом связь между давлением и плотностью должна быть в точности такой, как и у темной энергии, описываемой эйнштейновской космологической постоянной. Так не тождественна ли темная энергия физическому вакууму?

Было бы замечательно, если бы удалось доказать, что это действительно так: объединение кажущихся разными сущностей – плодотворнейший путь развития науки. Это известно еще со времен Максвелла, объединившего электричество и магнетизм. Но до сих пор идею Зельдовича не удается ни доказать, ни опровергнуть. Физическая природа и микроскопическая структура темной энергии стала сейчас центральной проблемой космологии и всей фундаментальной физики. Похоже, она столь же сложна, как и вопрос о происхождении космологического расширения.

Итак, за 90 лет своего существования, считая от первых наблюдений Слайфера и теоретической работы Эйнштейна, космология превратилась из области абстрактных и почти фантастических, как казалось, занятий на далекой периферии тогдашней науки в одно из центральных направлений естествознания XXI в. Она обладает надежным наблюдательным фундаментом, который складывается из базовых фактов о Вселенной. На нем строится и развивается теория, прочно связанная со всей современной физикой, включая общую теорию относительности, ядерную физику и физику элементарных частиц. Космология ставит новые важные вопросы, выдвигает содержательные идеи и гипотезы, делает смелые предсказания. Она дает широкую, богатую и согласованную картину мира, которая становится сейчас неотъемлемой частью общей культуры человечества. А нерешенные проблемы в живой, сложной науке всегда есть и должны быть – это источник и резерв ее дальнейшего развития.

Литература

Вейнберг С. Первые три минуты. М.: Атомиздат, 1982.

Новиков И. Д., Шаров А. С. Человек, открывший взрыв Вселенной. М.: Наука, 1989.

Розенталь И. Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М.: Недра, 1984.

Тропп Э. А., Френкель В. Я., Чернин А. Д. Александр Александрович Фридман. Труды и жизнь. М.: Наука, 1988.

Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003.

Черепащук А. М., Чернин А. Д. Горизонты Вселенной. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005.

На вопрос Не буду задавать вопрос, что есть вселенная, а... заданный автором электросварщик лучший ответ это Говорят Вселенная безгранична. Мне более логичным представляется другой вариант - с момента Большого Взрыва Вселенная расширяется из одной точки во все стороны, а границами можно считать самые отдаленные ее стороны. Как они выглядят? Все измерения размыты, разрежены и т. д. Там ни пространства ни времени - ничего.
Меня вот другое с некоторого времени беспокоит - по словам ученых, через какой-то (громадный) промежуток времени вся эта "расширяющаяся Вселенная" начнет обратно сжиматься...

Ответ от располосовать [гуру]
Возьмите энциклопедию. по астрономии..

Ответ от Ольга Шеффер [гуру]
ага. А ещё когда всё началось и когда закончится. И что за границами вселенной. А самое главное откуда-то ведь всё это взялось. Спасибо. Сутки мозги кипеть будут. Тьфу

Ответ от Ино Планетянин [гуру]
в принципе никто и не даст вразумительного ответа, это выше человеческого разума, но у буддистов есть понятие "нечто больше чем бесконечность"

Ответ от Европейский [гуру]
Этот вопрос скорее всего можно отнести к философии, нежели к науке.
Вселенная... скопление миллиардов галактик, возникшая в результате Большого взрыва - скажет ученый - материалист. Филосов пойдёт дальше. Он спросит: а что было первопричиной возникновения Большого взрыва? Существует эзотерическое толкование, что первопричиной всего материального, от минерала до вселенной, есть Эфир. Это нечто нематериальное, неподвластное никаким физическим характеристикам. Это высшая степень НЕматерии. В древнейшей на Земле религии Бонпо (древнеиндусская религия, предшественница Буддизма) Эфир описывается, как спиральный вихрь, заставляющий всё материальное двигаться, вращаться, эволюционировать.
Это не подвластно разуму нашей цивилизации, так как у нас в мозгу есть "стабилизатор мышления", который не даёт мысли ни одного учёного, или философа хотя бы близко подойти к решению этого вопроса. Не пришло ещё время открыть нам эту тайну... А жаль!! !
Религиозная точка зрения:
...И разделил Бог свет и тьму... подразумевается создание Богом Вселенной;
Может я и не ответил на вопрос, но старался!

Ответ от Longines [гуру]
Размер, возраст, содержание, структура и законы
Расстояния, доступные совреенным телескопам, составляют миллиарды световых лет. Вселенную на таких масштабах изучает астрономия и космология. Теоретической базой для космологии является общая теория относительности.
В самом крупном масштабе Вселенная представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры представляют собой скопления миллиардов галактик. Расстояния между ближайшими друг к другу галактиками составляют около миллиона световых лет.
Каждая галактика составлена из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик составляют до сотен тысяч световых лет.
Считается, что большинство звёзд являются кратными и представляют собой центры планетарных систем из нескольких планет. Расстояния между компаньонами кратных систем или планетами и их звёздами составляют десятки и сотни астрономических единиц (миллиарды и десятки миллиардов километров) .
Наиболее важный результат космологии - открытие расширения Вселенной - был получен путём наблюдений красного смещения и количественно оценен законом Хаббла. Экстраполяция этого расширения назад во времени приводит к гравитационной сингулярности, абстрактному математическому понятию, которое может соответствовать или не соответствовать реальности. Это даёт основание теории Большого взрыва, доминирующей на сегодня модели в космологии. Согласно данным НАСА, полученным с помощью WMAP, возраст Вселенной от момента Большого взрыва был оценен в 13,7 миллиарда лет с погрешностью в один процент. Данная оценка основывается на предположении, что лежащая в основе модель для анализа данных корректна. Другие методы оценки возраста Вселенной дают другие результаты.
Фундаментальным доводом в пользу Большого взрыва является тот факт, что чем дальше галактика находится от нас, тем быстрее она удаляется от нас. Подтверждением также служит космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) , которое возникло вскоре после Большого взрыва. Это реликтовое излучение однородно во всех направлениях. Этот факт космологи пытались объяснить ранним периодом инфляционного расширения, последовавшего за Большим взрывом.
Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная, включающая все местоположения, которые могут воздействовать на нас с момента Большого взрыва, конечна, поскольку конечна скорость света. Границей космического светового горизонта является расстояние 24 Гигапарсека. Действительное расстояние до границы наблюдаемой Вселенной больше благодаря всё увеличивающейся скорости расширения Вселенной и оценивается в 93 миллиардов световых лет.
Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска такой трёхмерной фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской, с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.