Вопрос 20.

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было  бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.

21. современные космологические модели Вселенной. *Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.  В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.  В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.  Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.  Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.  Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.

22. Современные теории происхождения и расширения Вселенной: теория Большого взрывы, теория «пульсирующей Вселенной», инфляционная теория, теория Протовселенной, теория экспоненциального расширения (теорема сингулярности) Пенроуза. Большо́й взрыв — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной[1], а именно — началорасширения Вселенной, перед которымВселенная находилась в сингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее. ТЕОРИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ВСЕЛЕННОЙ, вариант теории БОЛЬШОГО ВЗРЫВА, по которому Вселенная проходит последовательные периоды расширения и сжатия. В конце стадии сжатия, когда Вселенная концентрируется в маленьком объеме большой плотности, вероятно, происходит «разлет» Вселенной, называемый взрывом. Таким образом, по этой теории Вселенная бесконечно пульсирует между Большим взрывом и «Большим сжатием». Однако, для того, чтобы так происходило, плотность Вселенной должна была бы быть выше определенного значения (критической плотности), но сжатие Вселенной до таких размеров еще не доказано Инфляцио́нная моде́ль Вселе́нной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 1028 K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширени Первый вариант теории был предложен в 1981 году Аланом Гутом Экстраполяция наблюдаемогорасширения Вселенной назад во времениприводит, при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации, к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называетсякосмологической сингулярностью (часто космологическую сингулярность образно называют «рождением» Вселенной). Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана, в числе прочих теорем о сингулярностях, Р. Пенроузо.

Вопрос № 23 Концепции самоорганизации и креационизма эволюции вселенной.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существование во Вселенной развития от простых систем к все более сложным и информационно емким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека.

Вопрос № 24 Структура вселенной.

Уже в начале XX века было известно, что звёзды группируются в звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. Сверхскопление — самый большой тип объединения галактик, включает в себя тысячи галактик. Форма таких скоплений может быть различна: от цепочки, такой как цепочка Маркаряна, до стен, как великая стена Слоуна. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-е Маргарет Геллер и Джон Хукра выяснили, что на масштабах порядка 300 мега-парсек Вселенная практически однородна и представляет собой совокупность нитевидных скоплений галактик, разделённых областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области имеют размер порядка сотни мегапарсек. Нити и пустоты могут образовывать протяжённые относительно плоские локальные структуры, которые получили название «стены».

Вопрос №25

Млечный Путь не настолько «стар», как мир – он появился меньше одного миллиона лет после Большого взрыва (космологическая теория начала расширения Вселенной). Базируясь на основных принципах холодной темной материи (вида темной материи, двигавшейся со скоростью намного меньшей, чем скорость света в течение 10,000 лет после Большого взрыва) и на законах физики, таких, как сила гравитации, законы динамики жидкости и радиационной физики, появляется новая спиральная галактика. Млечный Путь «весит» 790 миллиардов солнечных масс и включает в себя 18,6 миллионов частичек, состоящих из газа, темной материи и звезд. Кроме того, расчеты показали существование слабых звезд на окраине Млечного Пути, на расстоянии в 600 тысяч световых лет от Земли. Существующие сегодня астрономические техники не позволяют их увидеть. Это должно стать доступным следующему поколению космических зондов и телескопов.

Вопрос №26

Когда была надежно установлена действительная природа галактики оказалось, что это не туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях от нас. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея - восходящая к Ньютону идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремиться создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов" - протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы - галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру - в них формировались гало более или менее сферической формы и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд Протогалактики, у которых вращение было медленнее или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной - возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы.Согласно последним научным оценкам, расстояние от Солнца до галактического центра, составляет 26 000 ± 1 400 световых лет, в то время как согласно предварительным оценкам наша звезда должна находиться на расстоянии около 35 000 световых лет от перекладины. Это означает, что Солнце расположено ближе к краю диска, чем к его центру. Вместе с другими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220—240 км / с, делая один оборот примерно за 200 млн лет. Таким образом, за все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз.В окрестностях Солнца удается отследить участки двух спиральных рукавов, которые удалены от нас примерно на 3 тыс. световых лет. По созвездиям, где наблюдаются эти участки, им дали название рукав Стрельца и рукав Персея. Солнце расположено почти посередине между этими спиральными ветвями. Но сравнительно близко от нас (по галактическим меркам), в созвездии Ориона, проходит ещё один, не очень четко выраженный рукав — рукав Ориона, который считается ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики.Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звезд происходит с другой закономерностью, поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звезд и спиральных рукавов совпадают — это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце. Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно именно поэтому на Земле смогла родиться и сохраниться жизнь. Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений. Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

• Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.

• В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.

• Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.

• При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.

• Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

29. Современные исследования НАСА Солнечной Системы и Вселенной. Телескоп Хаббл.

Современные исследования НАСА Солнечной Системы и Вселенной

Древние исследователи часто изменяли положение камней или строили каменные сооружения, чтобы отметить движение Солнца и Луны, смену времён года, создавали календарь и следили за затмениями. Многие верили, что Солнце вращается вокруг Земли. Эту идею сформулировал античный учёный Птолемей, создав «геоцентрическую» систему в 150 г. Затем, в 1543 году Н. Коперник описал гелиоцентрическую модель солнечной системы, а в 1610 г. открытие Галилеем лун Юпитера показало, что не все небесные тела вращаются вокруг Земли.

Для более полного изучения Солнца и других звёзд, после запуска ракет, учёные начали исследовать Солнце с орбиты Земли. НАСА запустило 8 обсерваторий на орбите, ставшие известными, как Орбитальная Солнечная Станция ( 1962- 1971 гг). Семь из них были успешны и анализировали солнце в ультрафиолете и рентгеновских лучах, среди прочих достижений были сделаны фотографии солнечной короны.

В 1990 году, НАСА и Европейское космическое агентство запустили зонд Уллиса, для первого исследования полярных регионов Солнца. В 2004 году космический корабль НАСА Генезис вернулся с образцами солнечного ветра для изучения на Земле. В 2007 году НАСА запустило два космических корабля с миссией СТЕРЕО, которые вернулись с первыми трёхмерными снимками Солнца.

Одна из самых важных солнечных обсерваторий до настоящего времени является Солнечная и Гелиосферическая обсерватория (SOHO), созданная для изучения солнечного ветра, внешних слоёв и внутренней структуры Солнца. Она работает над отображением структуры солнечных пятен под поверхностью, измеряет ускорение солнечного ветра, находит коронарные волны и солнечные торнадо, находит более тысячи комет и улучшает нашу способность прогнозировать погоду в космосе.

Недавно Обсерватория Солнечной Динамики НАСА (SDO), одна из самых перспективных обсерваторий, созданная для изучения Солнца, выпустила ранее неопубликованные данные о потоках, исходящих от солнечных пятен, а также приближенные фотографии активности на солнечной поверхности и первые высокочастотные измерения солнечных вспышек в ультрафиолетовом диапазоне.

Телескоп Хаббл

Телескоп «Хаббл» - это космический телескоп-рефлектор. На самом деле, «Хаббл» - это не просто телескоп, а целая космическая обсерватория. Впервые о проекте строительства космического телескопа начали говорить чаще в сороковых годах двадцатого века. Проектирование и строительство «Хаббла» началось в семидесятых годах. Телескоп был готов к эксплуатации уже в восьмидесятых годах прошлого столетия, но запуск в космос состоялся только в апреле 1990 года.

Космический телескоп «Хаббл» был построен в Америке. Запуск его в космос был произведен с борта американского корабля «Дискавери». Когда телескоп был выведен на свою околоземную орбиту, выяснилось, что у него есть ряд недочетов, тем не менее, даже с этими значительными ошибками строителей телескоп позволил совершить ряд весьма важных открытий.

Благодаря работе телескопа ученые смогли получить изображения поверхностей планет, их изменения и прочее. Например, в первые полтора года работы «Хаббла» были получены следующие данные: извержение вулкана на спутнике Юпитера Ио, падение кометы на поверхность Юпитера, прекрасные фотографии поверхности Марса. Ученые впервые увидели мелкие детали поверхности всех планет Солнечной системы.

Телескоп «Хаббл» оснащен двумя широкоугольными камерами, которые позволяют делать снимки высочайшего качества, так как съемка проводится за пределами атмосферы. Кроме того, на борту атмосферы установлены фотометр и несколько современных астродатчиков. Эти приборы позволяют изучать объекты, светимость которых не превышает 28 звездной величины (с Земли телескопы позволяют наблюдать звезды только 25 величины).

Сам телескоп представляет собой конструкцию, весом 11 600 килограммов. Диаметр главного зеркала – 2 400 мм. Радиус кривизны - 11 040 мм. Радиус вторичного зеркала - 310 мм. Длина - примерно 13 метров. Ширина 4,3 метра.