2962

УДК 52(076.5) С568

Современная концепция астрономической картины мира:

Метод. указ. к семинарским занятиям и самостоятельной работе / Сост. Е.И. Никитина, И.А. Паули. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа,

2015. – 40 с.

Рассмотрены вопросы, связанные с эволюцией представлений о Вселенной и ее происхождении: основные концепции космологии, образование объектов и структура Вселенной, Солнечная система, происхождение и строение Земли.

Предназначены для студентов гуманитарных и экономических специальностей очного и заочного отделений.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры

«Химия».

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, доц. С.А. Шахов

Р е ц е н з е н т канд. геол.-минерал. наук, вед. науч. сотр. СНИИГГиМС М.В. Попова

©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2015

©Никитина Е.И., Паули И.А., сост., 2015

2

Кразделам астрономии, в которых рассматриваются вопросы

остроении и развитии космических тел и всей Вселенной, относятся:

1. Космология (от греч. kosmos – мир, logos – учение) – учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании той ее части, которая доступна для астрономических наблюдений.

Предмет космологии – изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Теоретический фундамент космологии – общая теория относительности (ОТО), физика элементарных частиц и квантовая теория поля. Космология связана с ОТО, поскольку во Вселенной приходится иметь дело с огромными расстояниями, скоростями и массами.

Важнейший постулат современной космологии – законы природы, установленные на изучении ограниченной части Вселенной, могут быть экстраполированы на всю Вселенную. При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной.

2. Космогония (от греч. kosmos – мир, gonos – рождение) – учение о происхождении и эволюции космических тел и их систем (Солнечной системы в целом и всех входящих в нее тел: планет, спутников, астероидов, комет и метеоритов, звезд и звездных систем, галактик и т.д.).

Космогония появилась в XIX в., и первоначально ее гипотезы касались только Солнечной системы. Изучение происхождения и развития других космических объектов Вселенной началось в

XX в.

1.1.Средства наблюдения объектов Вселенной

Сглубокой древности по настоящее время астрономические знания добываются путем наблюдения и анализа естественного хода событий. На сегодняшний день основным методом исследо-

вания космоса являются астрономические наблюдения с помо-

щью телескопов. Телескоп – астрономический инструмент для приема собственного излучения небесных объектов. Первые телескопы (оптические) появились в XVII в.; значительно позднее,

вXX в., были созданы радиотелескопы, рентгеновские, нейтринные и гравитационные телескопы.

4

Наряду с использованием различного вида телескопов с середины XX в. широко применяются космические исследования – непосредственное изучение околоземного пространства, Луны, планет Солнечной системы, их спутников с помощью космических аппаратов, зондов и наблюдений космонавтами.

В 60-х гг. XX в. появились методы исследования с помощью

ускорителей элементарных частиц. Последний, самый мощный в мире ускоритель частиц (Большой адронный коллайдер) построен под землей на границе Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы. Он предназначен для ускорения протонов и тяжелых ионов почти до скорости света в противоположных направлениях и затем сталкивания их во встречных пучках. При этом достигается энергия в миллионы раз больше, чем получают частицы при взрывах водородных бомб. Частота столкновений частиц в коллайдере составляет сотни миллиардов раз в секунду.

Каналы получения информации. В классической астроно-

мии существовал единственный канал получения информации – видимый свет (наблюдения невооруженным глазом, с помощью оптического телескопа). В современной науке (начиная со второй половины XX в.) получение информации осуществляется по четырем каналам:

1. Электромагнитные волны во всех диапазонах (радио-, ин-

фракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны (рис. 1)).

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения (1 нм = 10–9 м)

2. Космические лучи. На Землю из космоса и от Солнца непрерывно идут потоки лучей. Некоторые из них достигают поверхности Земли, другие взаимодействуют с ее атмосферой. В космических лучах выделяется первичный состав (высокоэнергетические электроны, протоны, позитроны, антипротоны, тяжелые ядра и др.) и вторичный состав (частицы, образующиеся в ре-

5

зультате взаимодействия частиц первичного состава со звездным, межзвездным, межпланетным и другим веществом).

3.Нейтринное излучение. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом и трудно регистрируется, но оно несет ценнейшую информацию о процессах, протекающих внутри звезд, Солнца, в глубинах Вселенной, вспышках сверхновых звезд и др.

4.Гравитационные волны. В результате грандиозных взрывов звезд или слияния двух черных дыр где-то во Вселенной возникают гравитационные волны, вызывающие чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между частицами, вследствие колебания самого пространства, которое регистрируется гравитационными телескопами.

1.2. Развитие представлений о Вселенной

Первые научные представления о Вселенной отражены в

геоцентрической (от греч. geo – земля) системе Аристотеля – Птолемея (VI в. до н. э.), согласно которой вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. При этом только Луна и Солнце движутся по правильной круговой орбите, а каждая из планет вращается не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Эта точка, в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля. Считалось, что Земля – крупнейшее тело Вселенной, а Вселенная имеет конеч-

ные размеры.

Альтернативные представления о Вселенной начали развиваться только в эпоху Возрождения. В XV в. появилась гелиоцентрическая (от греч. helios – солнце) система польского ученого Николая Коперника. Он доказал, что все планеты обращаются вокруг Солнца, а Земля является третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. Но, как и Аристотель с Птолемеем, Коперник полагал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, т.е. не бесконечна.

Идею бесконечности Вселенной в XVI в. развил итальянский мыслитель Джордано Бруно. Он высказал предположение, что Солнце – одна из бесконечного множества звезд, окруженных планетами, которые вращаются вокруг своих осей. Учение Коперника и догадки Бруно в XVII в. подтвердил итальянский ученый Галилео Галилей. На основании проведенных исследований с помощью изобретенного им телескопа Галилей сделал

6

следующие выводы: вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам; центрами обращения небесных тел могут быть не только Земля и Солнце (планеты могут иметь спутники, обращающиеся вокруг них). Одновременно с Галилеем немецкий ученый Иоганн Кеплер сформулировал законы движения небесных тел в Солнечной системе.

Дальнейшее развитие астрономии пошло по пути не только накопления новых фактов и поиска вариантов их объяснений, но и изучения эволюции Вселенной. Возникли новые области астрономии – космология и космогония. Успехи новых направлений в астрономии привели к созданию в XVIII–XIX вв. классической космологической модели Вселенной, теоретическим фундаментом которой стала классическая механика Исаака Ньютона. Согласно этой модели Вселенная стационарна, вечна и бесконечна. Основ-

ной закон, управляющий движением и развитием небесных тел, – закон Всемирного тяготения. Пространство абсолютно (никак не связано с телами – если планеты исчезнут, Вселенная останется). Время также абсолютно (не зависит от материи, является универсальной длительностью всех природных явлений и тел), движется в одном направлении, непрерывно. Вселенная бесконечна в пространстве (количество звезд, звездных систем и планет во Вселенной бесконечно велико) и неизменна (стационарна) во времени. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим (погасшим) звездам приходят новые, молодые светила. Основа взаимодействия между объектами – принцип дальнодействия.

Данная модель Вселенной господствовала в науке до конца

XIX в.

1.3.Современные космологические модели происхождения

иэволюции Вселенной (XX–XXI вв.)

В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной. Ключевой предпосылкой создания моделей эволюционирующей Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна. Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуются понятиями: про-

странство, время, материя, движение, которые в теории отно-

сительности рассматриваются в единстве. Это означает, что с исчезновением материи исчезло бы и пространство, и время. Таким

7

образом, до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Открытие сложной структуры атома в начале XX в. и последующие исследования в области физики элементарных частиц, которые привели к созданию квантовой механики, также послужили толчком к созданию моделей эволюции Вселенной. Существует множество теорий и моделей, описывающих возникновение и развитие Вселенной, однако не многие из них получили хоть какое-то экспериментальное подтверждение. Много вопросов до сих пор остаются без ответа.

1.3.1. Релятивистская модель А. Эйнштейна (1917 г.)

Первой современной космологической моделью принято считать релятивистскую модель А. Эйнштейна, разработанную в 1917 г. на основе фундаментальных уравнений теории относительности. Согласно этой модели Вселенная однородна и изотропна (имеет одинаковые свойства во всех точках и по всем направлениям соответственно), не изменяется со временем (ста-

ционарна), может быть замкнута и иметь конечные размеры.

Эйнштейн модифицировал общую теорию относительности, введя в уравнения космологическую постоянную, которая означала, что силы гравитации должны включать в себя и неведомые силы отталкивания. Фактически он ввел новую «антигравитационную» силу, которая была заложена в саму структуру пространствавремени, а не порождалась каким-либо источником. Он считал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. Положение о стационарности (статичности) Вселенной в дальнейшем было опровергнуто астрофизическими наблюдениями.

1.3.2. Модели нестационарной Вселенной А.А. Фридмана (1922 г.)

Впервые заключение о нестационарности Вселенной сделал российский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. Анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, он сделал следующие выводы:

– Вселенная однородна и изотропна, поэтому она как целое не должна вращаться (ось вращения была бы выделенным

8

направлением); у нее не должно быть центра и пространственной границы;

– Вселенная может сжиматься или расширяться. В зависи-

мости от средней плотности вещества и излучения во Вселенной возможны три модели ее эволюции.

В первой модели предполагается, что масса вещества и излучения во Вселенной больше некоторой критической. В соответствии с общей теорией относительности Вселенная должна расширяться. При этом скорость расширения небольшая, что позволяет за счет работы сил гравитационного притяжения между космическими объектами замедлять расширение Вселенной до полного его прекращения. После этого космические объекты начинают сближаться – расширение сменяется сжатием и возвратом в исходное состояние. Затем Вселенная вновь начинает расширяться. Эта модель получила название модели пульсирующей Вселенной.

Во второй и третьей моделях, когда масса вещества и излучения во Вселенной равна и меньше критической соответственно, Вселенная должна неограниченно расширяться. Это модели от-

крытой Вселенной.

Таким образом, Фридман показал, что уравнения ОТО Эйнштейна приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной, т.е. Вселенная не может находиться в стационарном состоянии.

Теоретический вывод Фридмана о расширении Вселенной получил экспериментальное подтверждение. В 1924 г. американский астроном Э. Хаббл показал, что во Вселенной, помимо нашей Галактики, существует много других, разделенных огромными областями пустого пространства. А в 1929 г. он открыл так называемое красное смещение, которое объяснил эффектом Доплера.

Эффект Доплера проявляется в следующем: при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны, соответственно, увеличивается, и линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Наоборот, в случае приближения источника колебаний линии спектра его излучения смещаются в фиолетовую область более коротких волн (рис. 2).

9

Наблюдатель 1 Наблюдатель 2

Рис. 2. Проявление эффекта Доплера при движении источника излучения относительно наблюдателя

Хаббл обнаружил смещение спектральных линий в спектрах излучения дальних галактик в красную область, причем красное смещение тем сильнее, чем дальше расположены галактики, т.е. наблюдается «разбегание» галактик. Хаббл установил, что галактики удаляются не только от Земли, но и друг от друга, и сформулировал эмпирический закон: скорости удаления галактик v

возрастают пропорционально расстоянию до них R: v = HR, где

H – постоянная Хаббла.

Из результатов многочисленных экспериментальных наблюдений следует, что скорость разлета галактик увеличивается на 50–100 км/с на каждый миллион парсек (1 пк = 3,26 светового года = 3,1·1016 м; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год). Тогда постоянная Хаббла должна иметь значения H = 50…100 км/(с·Мпк) = (1,6…3,2)10–18 с–1. Величина = 1/Н, обратная постоянной Хаббла, – космологическое время, определяющее возраст Вселенной. Согласно последним исследованиям возраст Вселенной оценивается в 13,7 млрд лет.

Таким образом, экспериментально было подтверждено, что

Вселенная нестационарна: она находится в состоянии постоян-

ного расширения. Это похоже на процесс надувания воздушного шара, когда расстояние между любыми точками на поверхности увеличивается по мере надувания.

Во всех моделях Фридмана начальному состоянию соответствует точка сингулярности (начало мира как начало времени и

10