Лекция 8. Космологическая эволюция
Научная физическая космология возникла в ХХ веке. А. Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности). Поэтому релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной, в частности, кривизне четырехмерного пространства.
Космологические модели Вселенной
Эйнштейн считал, что надо строить статическую (не меняющуюся со временем) модель Вселенной. В этой модели Вселенная не эволюционирует. Хотя уравнения общей теории относительности не давали таких статических решений.
Идея статической Вселенной возникла еще в древности и казалась привлекательной, т.к. питалась фактом видимой стационарности, неизменности астрологических тел и систем. В настоящее время установлена эволюция всех тех небесных тел и систем небесных тел, где раньше видели только неизменное свечение или постоянное движение по круговым орбитам. Эволюция заключена уже в радиоактивном распаде. Если бы Земля вечно, то все радиоактивные вещества давно бы распались. Значит, с момента образования Земли прошло конечное время.
Установлен и факт эволюции Солнца и звезд. Сегодня наблюдают бурные процессы взрывов и эволюции в таких гигантских системах, какими являются галактики. Вещество, входящее в галактики, постепенно перерабатывается в ядерных процессах, идущих в звездах. Водород превращается в гелий, а затем и в более тяжелые химические элементы.
Началом современного этапа развития космологии являются работы советского ученого А.А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 г.г. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое – Вселенная не может быть стационарной: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Как следствие – плотность вещества должна либо уменьшаться, либо увеличиваться.
Эйнштейн построил статическую модель Вселенной ценой введения в свою теорию наряду с силами всемирного тяготения гипотетических сил космического отталкивания. Познакомившись с работой А.А. Фридмана, он посчитал ее ошибочной. Только после разъяснений А.А. Фридмана, переданных А. Эйнштейну, он полностью признал правильность выводов советского математика.
Установление закона расширения Вселенной – лишь установление механики Вселенной. Последующее изучение – это рассмотрение физических процессов, протекающих в ней. Состояние вещества сейчас очень сильно отличается от состояния, возникшего спустя некоторое время после «большого взрыва». Вселенная прошла огромный путь от сверхплотного сверхгорячего состояния, с бурными реакциями между элементарными частицами, до современного состояния, когда вещество распалось на гигантские системы небесных тел, возникли звезды, планеты и жизнь.
Предсказание теорий нестационарности Вселенной
Важнейшим в мире небесных тел является закон всемирного тяготения. На основе теории тяготения Ньютоном были сделаны предсказания существования спутника Сириуса и планеты Нептун. В настоящее время она является фундаментом в описании движения небесных тел. Однако в ряде случаев следует привлекать релятивистскую теорию тяготения (1916 г.).
Fа≈ Fв С помощью простых математических
выкладок на основе закона тяготения
можно показать, что сферически сим-
метричная оболочка не создает ника-
кого гравитационного поля во внут-
ренней области
Здесь должны учесть, что вещество в масштабах Вселенной разделено равномерно. Тогда можно считать
(так как масса
распределена на
поверхности сферы равномерно)
;
;
Следовательно, внутри сферы нет сил тяготения.
Последующие сферические оболочки также внутри полости не создают гравитационных полей. Можно вычислить ускорение одной галактики А по отношению к другой галактике О. Это ускорение обусловлено тяготением только вещества шара радиуса R
Знак минус означает, что ускорение соответствует притяже-
нию, а не отталкиванию.
Вывод: любые две галактики, находящиеся в однородной Вселенной на расстоянии R, испытывают относительное ускорение. Это и означает, что Вселенная должна быть нестационарной. Галактики должны удаляться или сближаться, радиус R должен меняться со временем, плотность вещества должна также изменяться со временем.
Таким образом, Вселенная должна быть нестационарной, т.к. в ней действует тяготение.