Билет 25.Космологические парадоксы

Космологические парадоксы — затруднения (противоречия), возникающие при распространении законов физики на Вселенную в целом или достаточно большие её области.

[Править]Фотометрический парадокс

Основная статья: Фотометрический парадокс

Фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса, название по имени швейцарского астронома Ж. Шезо, 1744, и немецкого астронома Г. В. Ольберса, 1826) состоит в том, что классическая физика затрудняется объяснить, почему ночью темно: если повсюду в бесконечном пространстве^[1] стационарной Вселенной (или хотя бы в достаточно большой её области) имеются излучающие звёзды, то в любом направлении на луче зрения должна оказаться какая-нибудь звезда и вся поверхность неба должна представляться ослепительно яркой, подобной, например, поверхности Солнца. Это противоречие с тем, что наблюдается в действительности, и называлось фотометрическим парадоксом. Парадокс решается при учёте одного из следующих факторов:

• Вселенная не бесконечно древняя;

• Вселенная пространственно ограничена и не замкнута;

• Свет поглощается облаками межзвёздной пыли, чёрными дырами и т. п.

[Править]Гравитационный парадокс

Основная статья: Гравитационный парадокс

Гравитационный парадокс (парадокс Неймана — Зелигера, название по имени немецких учёных К. Неймана и Х. Зелигера, 19 в.) имеет менее очевидный характер и состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс (если только не делать очень специальных предположений о характере пространственного распределения этих масс).

• Для космологических масштабов ответ даёт теория А. Эйнштейна, в которой закон всемирного тяготения уточняется для случая очень сильных гравитационных полей.

Билет 26. Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения – общая теория относительности.

Пять лет спустя, в 1922 г. советский физик и математик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Фридман сделал это, опираясь на сформулированный им космологический принцип. Он строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной, проводя наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

Сегодня с этим принципом согласно большинство ученых. Результаты современных наблюдений показывают, что структурные элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, физические константы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной, включая Землю. Кроме того, известно, что вещество во Вселенной собрано в «сгустки» – звезды, звездные системы и галактики. Но распределение вещества в более крупных масштабах однородно.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

Билет 27.

Происхождение

система образовалась из большого облака межзвёздной пыли и газа^[42]. Облако состояло, главным образом из водорода и гелия, которые образовались послеБольшого взрыва и более тяжёлых элементов, оставленных взрывами сверхновых. Примерно 4,5 млрд лет назад облако стало сжиматься, что, вероятно, произошло из-за воздействия ударной волны от вспыхнувшей на расстоянии нескольких световых лет сверхновой^[43]. Когда облако начало сокращаться, егоугловой момент, гравитация и инерция сплюснули его в протопланетный диск перпендикулярно к его оси вращения. После этого обломки в протопланетном диске под действием силы притяжения стали сталкиваться, и, сливаясь, образовывали первые планетоиды^[44]. В процессе аккреции планетоиды, пыль, газ и обломки, оставшиеся после формирования Солнечной системы, стали сливаться во всё более крупные объекты, формируя планеты^[44]. Примерная дата образования Земли — 4,54 млрд лет назад^{[45][46][47][27]}. Весь процесс формирования планеты занял примерно 10-20 миллионов лет^[48]. Луна сформировалась позднее, вероятно, в результате касательного столкновения^[49] Земли с объектом, по размерам близким Марсу^[50] и массой 10 % от земной^[51] (иногда этот объект называют «Тейя»). Часть этого тела слилась с Землёй, а часть была выброшена в околоземное пространство и образовала кольцо обломков, со временем агрегировавшееся и давшее начало Луне^[50].

Выделение газов из коры и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённымкометами, привела к образованию океанов^[52]. Существует ряд гипотез возникновения жизни на Земле. Около 3,6—4,1 млрд лет назад появился «последний универсальный общий предок» (англ. last universal common ancestor)^[53].

Развитие фотосинтеза позволило живым организмам использовать солнечную энергию напрямую. В результате в атмосфере стал накапливаться кислород, а в верхних слоях — формироваться озоновый слой. Симбиоз мелких клеток с более крупными привёл к развитию сложных клеток — эукариот^[54]. Позже возникли многоклеточные организмы, которые продолжали приспосабливаться к окружающим условиям. Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излученияозоновым слоем жизнь смогла начать освоение поверхности Земли^[55].

Поверхность планеты постоянно изменялась в течение сотен миллионов лет: континенты появлялись и разрушались. Они перемещались по поверхности, порой собираясь в суперконтинент. Приблизительно 750 млн лет назад самый ранний из известных суперконтинентов — Родиния — стал раскалываться на части. Позже эти части объединились в Паннотию (600—540 млн лет назад), затем в последний из суперконтинентов — Пангею, который распался 180 миллионов лет назад^[56].

В 1960 году была выдвинута гипотеза Земли-снежка, утверждающая, что в период между 750 и 580 млн лет назад Земля была полностью покрыта льдом. Эта гипотеза объясняет^[57] кембрийский взрыв — резкое повышение разнообразия многоклеточных форм жизни около 542 млн лет назад.

После кембрийского взрыва было пять массовых вымираний^[58]. Последнее из них случилось 65 млн лет назад, когда, вероятно, падение метеорита привело к исчезновению динозавров и других крупных рептилий, но обошло многих мелких животных, таких как млекопитающие, которые тогда напоминали землероек, а также птиц. В течение последних 65 миллионов лет развилось огромное количество разнообразных видов млекопитающих, и несколько миллионов лет назадобезьяноподобные животные получили способность прямохождения^[59]. Это позволило использовать орудия и способствовало общению, которое помогало добывать пищу и стимулировало необходимость в большом мозге. Развитие земледелия, а затем цивилизации, в короткие сроки позволило людям воздействовать на Землю как никакая другая форма жизни^[60], влиять на природу и численность других видов.

Последний ледниковый период начался примерно 40 млн лет назад, его пик приходится на плейстоцен около 3 миллионов лет назад. На фоне продолжительных и значительных изменений средней температуры земной поверхности, что может быть связано с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики(около 200 млн лет), имеют место и меньшие по амплитуде и длительности циклы похолодания и потепления, происходящие каждые 40—100 тысяч лет, имеющие явно автоколебательный характер, возможно, вызванный действием обратных связей от реакции всей биосферы как целого, стремящейся обеспечить стабилизацию климата Земли (см. гипотезу Геи^[61], выдвинутую Джеймсом Лавлоком (англ. James Ephraim Lovelock), а также теорию биотической регуляции^[62], предложенную В. Г. Горшковым).

Последний цикл оледенения в Северном полушарии закончился около 10 тысяч лет назад^[63]