3. Космологія та її основний принцип.

Космологія — наука про Всесвіт загалом, про найзагальніші закони його будови та розвитку.

Основний космологічний принцип: Всесвіт є однорідним та ізотропним, тобто його властивості для кожного заданого моменту часу однакові в усіх його точках і в усіх напрямках. Сучасна космологія грунтується на висунутій А. Ейнштейном (1916 р.) загальній теорії відносності (ЗТВ), за якою незмінний з часом Всесвіт існувати не може. На початку 20–х років XX ст. радянський математик О.Фрідман розв'язав рівняння ЗТВ для Всесвіту і показав, що можуть існувати два розв'язки: Всесвіт розширюється і Всесвіт стискається. Ці результати використовують для описування еволюції Всесвіту і в наш час.

1929 року Е. Габбл підтвердив розширення видимої частини Всесвіту за допомогою червоного зміщення спектральних ліній. Найдальші з відомих галактик і квазарів мають дуже сильне червоне зміщення, тобто віддаляються від нас з величезними швидкостями. Тож факт постійного розширення Всесвіту встановлено точно. Але це означає, що мільярди років тому галактики були значно ближчими одна до одної. І в якийсь момент часу в минулому (15 – 20млрд років тому) відстань між сусідніми об'єктами Всесвіту мусила дорівнювати нулю. Уся речовина Всесвіту була сконцентрована в надзвичайно малому об'ємі – сингулярній точці. Ні галактик, ні зір не існувало, густина і температура були надто високими. Процес переходу космічної матерії з «точкового» стану на стадію розширення називається Великим Вибухом. Від цього часу починається історія нашого Всесвіту.

Той факт, що найстаріші зірки різних галактик мають приблизно однаковий вік (12–15 млрд років), також свідчить на користь цієї гіпотези походження Всесвіту.

Запитання для самоконтролю.

1. Дайте визначення поняття галактика?

2. Що таке квазари?

3. Сформулюйте закон Габбла?

4. Перерахуйте основні типи галактик за їх формою?

5. В чому полягає основний космологічний принцип?

Лекція №14

Тема.

Еволюція Всесвіту. Історія розвитку уявлень про Всесвіт. Життя у Всесвіті

План лекції.

1. Стадії розвитку Всесвіту.

2. Майбутня доля Всесвіту.

3. Життя у Всесвіту.

Література. Л 5 (ст.170–174; ст.176–183)

1. Стадії розвитку Всесвіту.

• Сингулярна точка — розміри Всесвіту, близькі до нуля, всі чотири фундаментальні сили природи (гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка) були об'єднані.

• Епоха Великого об'єднання. У цей час, згідно з припущенням, гравітація віддаляється від трьох інших фундаментальних сил, а вони за надзвичайно високої енергії утворюють єдину силу. Всесвіт знаходиться у стані фізичного вакууму. Фізичний вакуум не порожній, він заповнений полями та віртуальними частинками, які час від часу матеріалізуються, але час їх життя надзвичайно малий (10~²¹ – 10~²⁴ с).

• Інфляція, або роздування Всесвіту. Гравітаційне відштовхування переважало над гравітаційним тяжінням, під дією анти гравітаційних сил вакуум почав стрімко розширюватись. Це і є Великий Вибух.

• Епоха народження важких елементарних частинок. Всесвіт перейшов до звичної для нас гравітаційної взаємодії, надалі розширення Всесвіту відбувалось за інерцією. Температура, яка сягала 10²⁷ К, поступово зменшилась при розширенні. Сильна взаємодія відділилися від слабкої та електромагнітної. За умови дуже високої температури енергії фотонів вистачало для народження пар усіх відомих частинок та античастинок. Утворилися важкі елементарні частинки – протони та нейтрони. При цьому антипротонів та антинейтронів у ранньому всесвіті виявилося менше, ніж протонів і нейтронів.

Але розширення тривало, температура знижувалась, і масивних частинок утворювалося дедалі менше

• Епоха анігіляції. Відбувалося народження та анігіляція частинок з античастинками з виділенням енергії у вигляді квантів світла. В умовах подальшого зниження температури (до10¹²К) кількість анігіляцій перевищила кількість народжених частинок. Залишилися лише ті частинки, які не знайшли собі пари. У Всесвіті залишилася лише речовина, а антиречовина зникла.

• Епоха лептонів. Температура знизилася настільки, що пари масивних частинок зовсім припинили народжуватись. Енергії вистачало лише на утворення легких частинок – лептонів (електронів, позитронів, нейтрино і антинейтрино). Всесвіт у цей час складався з протонів, нейтронів, лептонів та фотонів (випромінювання світла).

• Ера випромінювання. Температура впала до 10млрд К, розпочалася анігіляція електронів і позитронів з виділенням величезної кількості фотонів. Випромінювання вже переважало над речовиною.

• Епоха початкового нуклеосинтезу. За температури 1млрд К розпочалося утворення ядер гелію, другого після водню за поширенням у Всесвіті хімічного елементу.

• Після епохи нуклеосинтезу відбувалося спокійне розширення та охолодження Всесвіту, Через 1млн років при охолодженні до температури 3000 К в результаті об'єднання електронів і протонів утворились атоми водню. Випромінювання відділилось від речовини і у вигляді фотонів розлетілося у просторі. Всесвіт став прозорим. Настала наступна ера в історії Всесвіту – ера речовини, яка триває і дотепер.

Потім через сотні мільйонів років після початку розширення з'явились перші галактики та зорі.

Реліктове випромінювання – випромінювання, що виникло на ранніх етапах розвитку Всесвіту і зараз знаходиться в ньому у вигляді фонового космічного випромінювання. Передбачене в 40–х роках XX ст. Г.Гамовим, вперше зареєстроване 1965 року А.Рензіаном і Р.Вілсоном. Температура його виявилась 2,73К (передбачено ЗК), його інтенсивність не залежала від орієнтації антени радіотелескопа і була однаковою впродовж року. Існування реліктового випромінювання є своєрідним відлунням відриву випромінювання від речовини.