16

Лекция 10 - 11 Космологические модели Вселенной Эволюция Вселенной

Основные проблемы создания модели:

• Объект исследования космологии (Вселенная) уникален, поэтому ее нельзя изучать с помощью статистических методов.

• Длительные периоды эволюции рассматриваемых явлений не позволяют вести прямых наблюдений.

Космология тесно связана с ОТО, т.к. для Вселенной характерны огромные расстояния, скорости и массы.

В истории космологии разрабатывалось несколько моделей Вселенной:

I. Стационарная модель (модель вечной бесконечной Вселенной) – существовала с древности до 20 века; очень долго формировалась (до 17 в.).

Вопрос об устройстве мира издавна интересовал людей.

Версии – различные (Земля плоская и неподвижная и т.д.).

• Научная астрономия зародилась в Древней Греции. Ее итог – геоцентрическая система К. Птолемея (2 в. н.э. - «Альмагест» в 13 томах) – в течение многих веков не подвергалась серьезному сомнению.

• В 16 в. Н. Коперник разработал гелиоцентрическую систему (не во всем правильна: за орбитами 5 планет – сфера неподвижных звезд - «мир в скорлупе»).

• Д. Бруно - последователь Коперника – придерживался идеи о множественности миров и бесконечности Вселенной – считал звезды далекими Солнцами, вокруг которых тоже вращаются планеты, люди… Идеи Бруно намного опередили свое время, но доказать их он не смог.

• Г. Галилей – благодаря усовершенствованию телескопа рассмотрел космические объекты → вывод: они похожи на Землю (горы, кратеры на Луне…) → постепенный отказ от представления о Солнце как о центре Вселенной.

• И. Кеплер (современник Галилея, 17 в.) - установил законы движения планет.

• И. Ньютон – доказал, что все тела во Вселенной независимо от размеров, состава и т.д. взаимно тяготеют друг к другу.

Таким образом, Вселенная бесконечна в пространстве, но неизменна во времени, т.е. это система мира без начала и конца в пространственном и временном понимании, созданная Богом.

Классическая модель не объясняла ряд противоречий.

Космологические парадоксы

1. Фотометрический парадокс Шезо-Ольберса.

В 1744 г. астроном Шезо высказал сомнение в бесконечности Вселенной:

Если Вселенная бесконечна → в ней существует бесконечное множество звезд → все небо должно быть усеяно сверкающими точками, т.е. быть таким же ярким, как Солнце

(такой же вывод независимо в 1823 г. сделал немецкий астроном Ольберс).

Ученые пытались устранить этот парадокс, чтобы доказать бесконечность Вселенной:

• Звезды распределены неравномерно (но тогда в ночном небе наряду с местами, где мало звезд, должны быть бесконечно яркие пятна, чего на самом деле нет).

• Свет поглощается межзвездным газом и пылью (недавно открыли) → они частично поглощают свет → многие звёзды невидимы (в начале 20 в. доказано, что они сначала поглощают, а потом снова переизлучают свет).

→ сомнение в бесконечности Вселенной.

2. Гравитационный парадокс Зеелигера (конец 19 в.)

Если Вселенная бесконечна, то интенсивность ее гравитационного поля тоже должна быть бесконечной (→ все должно слипнуться), а этого на самом деле нет.

→ Вселенная ограничена, а количество небесных тел конечно.

3. Термодинамический парадокс – связан с открытием вывода из 2 з-на термодинамики: «При всех превращениях различные виды энергии в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве».

Т.к. этот процесс необратим – рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище, т.е. наступит «тепловая смерть Вселенной».

В природе опровержения этому выводу пока не найдено → Вселенная когда-то имела начало и неизбежно будет иметь конец.

Т.о., космологические парадоксы заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.

II. Модель горячей расширяющейся Вселенной

В основе – космологическая модель Эйнштейна (на базе ОТО):

• Время существования Вселенной бесконечно.

• Пространство во вселенной безгранично, но конечно и искривлено.

→ отпали фотометрический и гравитационный парадоксы, но термодинамический остался.

Н. Фридман (русский физик и математик), изучая ОТО, сделал вывод:

Искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сужаться (Эйнштейн потом согласился).

Э. Хаббл (американский астроном) в 1929 г. – экспериментально доказал расширение Вселенной.

Для этого он использовал спектроскоп (прибор, позволяющий определить хим. состав в-в по спектрам, которые они испускают или поглощают).

Он обнаружил, что ЭМ-излучение, приходящее от далеких галактик, смещено к красной части спектра – явление красного смещения.

Но известно, что понижение частоты колебаний происходит при удалении источника света от наблюдателя (эффект Доплера) (аналогичное звуковое явление - сигнал приближающегося поезда пронзителен, а удаляющегося – менее резкий).

→ Красное смещение доказывает, что галактики удаляются друг от друга («разбегание галактик»), т.е. Вселенная расширяется.

Хаббл также установил, что чем дальше источник света (галактика), тем > его красное смещение → галактики удаляются друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием (Закон Хаббла): V = НL, где:

Н – постоянная Хаббла (~ 75-80 км/с·Мпк – пока не установлена точно).

L – расстояние до галактики.

После открытия красного смещения в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной («мыльный пузырь» с пылинками на поверхности). Во Вселенной отсутствует какой-либо «центр разбегания»: расширяется все межгалактическое пространство (→ картина будет одинаковой при наблюдении с любой галактики).

Зная постоянную Хаббла, можно оценить приблизительный возраст Вселенной – 12-15 млрд. лет (сейчас вычислено – 13,7 млрд. л.).

Следствие расширения Вселенной: мы можем видеть только те объекты, свет от которых успевает дойти до нас; далекие галактики «убегают» со скоростью света → мы не можем их видеть → существует граница наблюдаемой Вселенной.

Будущее Вселенной также можно рассчитать (на основе уравнений Фридмана), для этого надо знать массу вещества во Вселенной, т.е. массу всех галактик.

Пока ученые ее не знают, т.к., по оценкам, видимый материал во Вселенной (звезды, планеты, галактики) составляет ~ 1/10 часть ее массы, а всё остальное – темное вещество.

Величина критической плотности Вселенной (известна): ρ_кр. = 10^-29 г/см³. на основании этого значения можно предположить – какое будущее ожидает нашу Вселенную?