Formulisan u obliku modela nastanka i razvoja Univerzuma. To je zbog činjenice da je u kosmologiji nemoguće izvesti ponovljive eksperimente i iz njih izvesti bilo kakve zakone, kao što je to učinjeno u drugim prirodnim znanostima. Osim toga, svaki kosmički fenomen je jedinstven. Stoga kosmologija operiše modelima. Kako se nova znanja o okolnom svijetu akumuliraju, novi kosmološki modeli se rafiniraju i razvijaju.

Klasični kosmološki model

Napredak u kosmologiji i kosmogoniji u 18.-19. vijeku. kulminiralo je stvaranjem klasične policentrične slike svijeta, koja je postala početna faza u razvoju naučne kosmologije.

Ovaj model je prilično jednostavan i razumljiv.

1. Univerzum se smatra beskonačnim u prostoru i vremenu, drugim riječima, vječnim.

2. Osnovni zakon koji reguliše kretanje i razvoj nebeskih tela je zakon univerzalne gravitacije.

3. Prostor nije ni na koji način povezan sa tijelima koja se u njemu nalaze, igrajući pasivnu ulogu kontejnera za ta tijela.

4. Vrijeme također ne zavisi od materije, jer je univerzalno trajanje svih prirodnih pojava i tijela.

5. Kada bi sva tijela iznenada nestala, prostor i vrijeme bi ostali nepromijenjeni. Broj zvijezda, planeta i zvjezdanih sistema u Univerzumu je beskonačno velik. Svako nebesko tijelo prolazi dug životni put. Mrtve, tačnije ugašene, zvijezde zamjenjuju se novim, mladim svjetiljkama.

Iako su detalji o nastanku i smrti nebeskih tijela ostali nejasni, u osnovi je ovaj model djelovao skladno i logički dosljedno. U ovom obliku, klasični policentrični model je postojao u nauci do početka 20. veka.

Međutim, ovaj model svemira imao je nekoliko nedostataka.

Zakon univerzalne gravitacije objasnio je centripetalno ubrzanje planeta, ali nije rekao odakle potiče želja planeta, kao i bilo kojih materijalnih tijela, da se kreću jednoliko i pravolinijski. Da bi se objasnilo inercijalno kretanje, bilo je potrebno pretpostaviti postojanje božanskog „prvog guranja“ u njemu, koji je pokrenuo sva materijalna tela. Osim toga, Božjoj intervenciji je također bilo dozvoljeno da ispravi orbite kosmičkih tijela.

Pojava u okviru klasičnog modela takozvanih kosmoloških paradoksa – fotometrijskog, gravitacionog, termodinamičkog. Želja da se oni razriješe navela je naučnike da traže nove konzistentne modele.

Dakle, klasični policentrični model Univerzuma bio je samo djelimično naučne prirode; nije mogao pružiti naučno objašnjenje nastanka Univerzuma i stoga je zamijenjen drugim modelima.

Relativistički model univerzuma

Novi model svemira kreirao je 1917. A. Einstein. Zasnovala se na relativističkoj teoriji gravitacije – opštoj teoriji relativnosti. Ajnštajn je napustio postulate o apsolutnosti i beskonačnosti prostora i vremena, ali je zadržao princip stacionarnosti, nepromenljivosti Univerzuma u vremenu i njegove konačnosti u prostoru. Svojstva Univerzuma, prema Ajnštajnu, određena su distribucijom gravitacionih masa u njemu.Univerzum je neograničen, ali u isto vreme zatvoren u prostoru. Prema ovom modelu prostor je homogen i izotropan, tj. ima ista svojstva u svim pravcima, materija je u njemu ravnomerno raspoređena, vreme je beskonačno, a njen tok ne utiče na svojstva Univerzuma. Na osnovu svojih proračuna, Ajnštajn je zaključio da je svetski prostor četvorodimenzionalna sfera.

Istovremeno, ne treba zamišljati ovaj model svemira u obliku obične sfere. Sferni prostor je sfera, ali četverodimenzionalna sfera koja se ne može vizualno predstaviti. Analogno možemo zaključiti da je volumen takvog prostora konačan, kao što je površina bilo koje lopte konačna; može se izraziti u konačnom broju kvadratnih centimetara. Površina bilo koje četverodimenzionalne sfere je također izražena u konačnom broju kubnih metara. Takav sferni prostor nema granica i u tom smislu je neograničen. Leteći u takvom prostoru u jednom pravcu, na kraju ćemo se vratiti na početnu tačku. Ali u isto vrijeme, muva koja puzi po površini lopte nigdje neće pronaći granice ili barijere koje joj sprječavaju kretanje u bilo kojem odabranom smjeru. U tom smislu, površina svake lopte je neograničena, iako konačna, tj. neograničenost i beskonačnost su različiti pojmovi.

Dakle, iz Ajnštajnovih proračuna sledi da je naš svet četvorodimenzionalna sfera. Volumen takvog Univerzuma može se izraziti, iako vrlo velik, ali ipak konačnim brojem kubnih metara. U principu, možete letjeti oko cijelog zatvorenog svemira, krećući se cijelo vrijeme u jednom smjeru. Takvo zamišljeno putovanje je slično zemaljskim putovanjima oko svijeta. Ali Univerzum, konačnog volumena, je u isto vrijeme neograničen, kao što površina bilo koje sfere nema granica. Ajnštajnov univerzum sadrži, iako veliki, ali ipak konačan broj zvezda i zvezdanih sistema, te stoga fotometrijski i gravitacioni paradoksi nisu primenjivi na njega. U isto vrijeme, bauk toplotne smrti nadvija se nad Ajnštajnovim univerzumom. Takav svemir, konačan u prostoru, neminovno dolazi do svog kraja u vremenu. Vječnost mu nije svojstvena.

Dakle, uprkos novosti, pa čak i revolucionarnosti ideja, Ajnštajn se u svojoj kosmološkoj teoriji rukovodio uobičajenim klasičnim ideološkim stavom o statičnosti sveta. Više ga je privlačio harmoničan i stabilan svijet nego kontradiktoran i nestabilan svijet.

Model širenja univerzuma

Ajnštajnov model univerzuma postao je prvi kosmološki model zasnovan na zaključcima opšte teorije relativnosti. To je zbog činjenice da je gravitacija ta koja određuje interakciju masa na velikim udaljenostima. Stoga je teorijsko jezgro moderne kosmologije teorija gravitacije – opća teorija relativnosti. Einstein je u svom kosmološkom modelu pretpostavio prisustvo određene hipotetičke odbojne sile, koja je trebala osigurati stacionarnost i nepromjenjivost Univerzuma. Međutim, kasniji razvoj prirodnih nauka napravio je značajna prilagođavanja ovoj ideji.

Pet godina kasnije, 1922. godine, sovjetski fizičar i matematičar A. Friedman je na osnovu rigoroznih proračuna pokazao da Ajnštajnov univerzum ne može biti stacionaran i nepromenljiv. U isto vrijeme, Friedman se oslanjao na kosmološki princip koji je formulirao, a koji se zasniva na dvije pretpostavke: izotropiji i homogenosti Univerzuma. Izotropija Univerzuma se shvata kao odsustvo različitih pravaca, istovetnost Univerzuma u svim pravcima. Homogenost Univerzuma se shvata kao istovetnost svih tačaka Univerzuma: možemo vršiti posmatranja na bilo kojoj od njih i svuda ćemo videti izotropni Univerzum.

Friedman je, na osnovu kosmološkog principa, dokazao da Einsteinove jednadžbe imaju druga, nestacionarna rješenja, prema kojima se Univerzum može ili širiti ili skupljati. Istovremeno, radilo se o proširenju samog prostora, tj. o porastu svih udaljenosti u svijetu. Friedmanov univerzum je ličio na naduvavajući mehur od sapunice, sa svojim radijusom i površinom koje su se neprestano povećavale.

U početku je model širenja svemira bio hipotetički i nije imao empirijsku potvrdu. Međutim, 1929. godine američki astronom E. Hubble otkrio je efekat “crvenog pomaka” spektralnih linija (pomeranje linija prema crvenom kraju spektra). Ovo je protumačeno kao posljedica Doplerovog efekta - promjene frekvencije oscilacije ili talasne dužine zbog pomeranja izvora talasa i posmatrača jedan u odnosu na drugog. "Crveni pomak" je objašnjen kao posljedica galaksija koje se udaljavaju jedna od druge brzinom koja raste s rastojanjem. Prema nedavnim mjerenjima, povećanje brzine ekspanzije je otprilike 55 km/s za svaki milion parseka.

Kao rezultat svojih zapažanja, Hubble je potkrijepio ideju da je Univerzum svijet galaksija, da naša galaksija nije jedina u njemu, da postoji mnogo galaksija razdvojenih ogromnim udaljenostima. Istovremeno, Hubble je došao do zaključka da međugalaktičke udaljenosti ne ostaju konstantne, već se povećavaju. Tako se u prirodnoj nauci pojavio koncept svemira koji se širi.

Kakva budućnost čeka naš Univerzum? Fridman je predložio tri modela razvoja svemira.

U prvom modelu, Univerzum se polako širi tako da se, zbog gravitacijske privlačnosti između različitih galaksija, širenje svemira usporava i na kraju zaustavlja. Nakon ovoga, Univerzum je počeo da se smanjuje. U ovom modelu prostor se savija, zatvarajući se u sebe, formirajući sferu.

U drugom modelu, svemir se beskonačno širio, a prostor je bio zakrivljen poput površine sedla i istovremeno beskonačan.

U Friedmanovom trećem modelu prostor je ravan i takođe beskonačan.

Koja od ove tri opcije prati evoluciju Univerzuma zavisi od omjera gravitacione energije i kinetičke energije materije koja se širi.

Ako kinetička energija širenja materije prevlada nad gravitacijskom energijom koja sprječava širenje, tada gravitacijske sile neće zaustaviti širenje galaksija, a širenje Univerzuma će biti nepovratno. Ova verzija dinamičkog modela svemira naziva se otvoreni univerzum.

Ako prevladava gravitacijska interakcija, tada će se brzina širenja s vremenom usporavati sve dok se potpuno ne zaustavi, nakon čega će početi kompresija materije sve dok se Univerzum ne vrati u prvobitno stanje singularnosti (tačkasti volumen sa beskonačno velikom gustoćom). Ova verzija modela naziva se oscilirajući ili zatvoreni univerzum.

U graničnom slučaju, kada su gravitacijske sile tačno jednake energiji širenja materije, širenje se neće zaustaviti, ali će njegova brzina vremenom težiti nuli. Nekoliko desetina milijardi godina nakon početka širenja Univerzuma, nastupit će stanje koje se može nazvati kvazistacionarnim. Teoretski je moguće i pulsiranje Univerzuma.

Kada je E. Hubble pokazao da se udaljene galaksije udaljavaju jedna od druge sve većom brzinom, donesen je nedvosmislen zaključak da se naš Univerzum širi. Ali Univerzum koji se širi je Univerzum koji se mijenja, svijet sa svom svojom istorijom, koji ima početak i kraj. Hubble konstanta nam omogućava da procijenimo vrijeme tokom kojeg se nastavlja proces širenja Univerzuma. Ispostavilo se da to nije manje od 10 milijardi i ne više od 19 milijardi godina. Smatra se da je najvjerovatniji životni vijek svemira koji se širi je 15 milijardi godina. Ovo je približna starost našeg Univerzuma.

Mišljenje naučnika

Postoje i drugi, čak i najegzotičniji, kosmološki (teorijski) modeli zasnovani na opštoj teoriji relativnosti. Evo šta profesor matematike sa Univerziteta Kembridž Džon Barou kaže o kosmološkim modelima:

„Prirodni zadatak kosmologije je da što bolje razumije porijeklo, istoriju i strukturu našeg svemira. Istovremeno, opšta teorija relativnosti, čak i bez pozajmljivanja iz drugih grana fizike, omogućava izračunavanje gotovo neograničenog broja veoma različitih kosmoloških modela. Naravno, njihov odabir se vrši na osnovu astronomskih i astrofizičkih podataka, uz pomoć kojih je moguće ne samo testirati različite modele na usklađenost sa stvarnošću, već i odlučiti koja se njihova komponenta može kombinirati za najadekvatnije. opis našeg sveta. Tako je nastao trenutni standardni model Univerzuma. Dakle, čak i samo iz tog razloga, istorijska raznolikost kosmoloških modela bila je vrlo korisna.

Ali nije samo to. Mnogi modeli su stvoreni kada astronomi još nisu akumulirali bogatstvo podataka koje danas imaju. Na primjer, pravi stepen izotropije Univerzuma ustanovljen je zahvaljujući svemirskoj opremi tek u posljednje dvije decenije. Jasno je da su u prošlosti dizajneri svemirskih modela imali mnogo manje empirijskih ograničenja. Osim toga, moguće je da će čak i modeli koji su egzotični prema današnjim standardima biti korisni u budućnosti za opisivanje onih dijelova svemira koji još nisu dostupni za promatranje. I konačno, pronalazak kosmoloških modela može jednostavno potaknuti želju za pronalaženjem nepoznatih rješenja za opštu relativnost, a to je također snažan poticaj. Općenito, obilje takvih modela je razumljivo i opravdano.

Nedavni spoj kosmologije i fizike čestica opravdan je na isti način. Njegovi predstavnici smatraju da je najranija faza života Univerzuma prirodni laboratorij, idealno pogodan za proučavanje osnovnih simetrija našeg svijeta, koje određuju zakone fundamentalnih interakcija. Ova zajednica je već postavila temelje za čitav fan fundamentalno novih i veoma dubokih kosmoloških modela. Nema sumnje da će to u budućnosti donijeti ništa manje plodne rezultate.”

Godine 1917. A. Einstein je izgradio model univerzuma. U ovom modelu, kosmološka odbojna sila nazvana lambda parametar korištena je za prevazilaženje gravitacijske nestabilnosti Univerzuma. Kasnije će Ajnštajn reći da je to bila njegova najveća greška, suprotno duhu teorije relativnosti koju je stvorio: sila gravitacije u ovoj teoriji se poistovećuje sa zakrivljenošću prostor-vremena. Ajnštajnov univerzum je imao oblik hipercilindra čiji je opseg bio određen ukupnim brojem i sastavom oblika ispoljavanja energije (materija, polje, zračenje, vakuum) u ovom cilindru. Vrijeme je u ovom modelu usmjereno iz beskonačne prošlosti u beskonačnu budućnost. Dakle, ovdje je količina energije i mase Univerzuma (materija, polje, zračenje, vakuum) proporcionalno povezana s njegovom prostornom strukturom: ograničena u svom obliku, ali beskonačnog polumjera i beskonačna u vremenu.

Istraživači koji su počeli da analiziraju ovaj model su primetili

do svoje ekstremne nestabilnosti, nalik novčiću koji stoji na njegovom rubu, čija jedna strana odgovara svemiru koji se širi, a druga zatvorenom: kada se uzmu u obzir neki fizički parametri Univerzuma, prema Einsteinovom modelu, ispada da se vječno širi, kada se uzme u obzir drugi - zatvoren. Na primjer, holandski astronom W. de Sitter, pretpostavivši da je vrijeme zakrivljeno na isti način kao i prostor u Ajnštajnovom modelu, dobio je model svemira u kojem se vrijeme potpuno zaustavlja u vrlo udaljenim objektima.

A. Slobodnodčovjek,fIhIR I matematičar Petrogradskog univerziteta, objavljenoV1922 G. članak« Ozakrivljenostprostor."IN predstavio je rezultate studija opšte teorije relativnosti, koji nisu isključili matematičku mogućnost postojanja tri modela Univerzuma: model Univerzuma u Euklidskom prostoru ( TO = 0); model sa koeficijentom jednakim ( K> 0) i model u prostoru Lobačevskog - Boljai ( TO< 0).

A. Friedman je u svojim proračunima polazio od stava da vrijednost i

Radijus Univerzuma je proporcionalan količini energije, materije i ostalog

oblici njegovog ispoljavanja u Univerzumu kao celini. Matematički zaključci A. Friedmana poricali su potrebu za uvođenjem kosmološke odbojne sile, budući da opća teorija relativnosti ne isključuje mogućnost postojanja modela Univerzuma u kojem proces njegovog širenja odgovara procesu kompresije koji je povezan sa povećanjem gustine i pritiska energije-materije koja čini Univerzum (materija, polje, zračenje, vakuum). Zaključci A. Friedmana izazvali su sumnje među mnogim naučnicima i samim A. Einsteinom. Iako je već 1908. godine matematičar G. Minkowski, davši geometrijsko tumačenje specijalne teorije relativnosti, dobio model Univerzuma u kojem je koeficijent zakrivljenosti nula ( TO = 0), tj. model univerzuma u euklidskom prostoru.

N. Lobačevski, osnivač neeuklidske geometrije, izmjerio je uglove trougla između zvijezda udaljenih od Zemlje i otkrio da je zbir uglova trougla 180°, odnosno da je prostor u svemiru euklidski. Posmatrani euklidski prostor svemira jedna je od misterija moderne kosmologije. Trenutno se vjeruje da je gustina materije

u Univerzumu je 0,1-0,2 dijela kritične gustine. Kritična gustina je približno 2·10 -29 g/cm 3 . Kada dostigne kritičnu gustinu, Univerzum će početi da se skuplja.

A. Friedmanov model sa „TO > 0" je svemir koji se širi od originala

njeno stanje u koje se mora ponovo vratiti. U ovom modelu se pojavio koncept starosti Univerzuma: prisustvo prethodnog stanja u odnosu na ono što je uočeno u određenom trenutku.

Uz pretpostavku da je masa čitavog Univerzuma jednaka 5 10 2 1 solarnih masa, A.

Friedman je izračunao da je vidljivi Univerzum u komprimiranom stanju

po modelu" K > 0" prije otprilike 10-12 milijardi godina. Nakon toga je počeo da se širi, ali to širenje neće biti beskonačno i nakon određenog vremena Univerzum će se ponovo skupljati. A. Fridman je odbio da raspravlja o fizici početnog, komprimovanog stanja Univerzuma, pošto zakoni mikrosveta tada nisu bili jasni. Matematičke zaključke A. Friedmana je više puta proveravao i ponovo proveravao ne samo A. Ajnštajn, već i drugi naučnici. Nakon određenog vremena, A. Einstein je, u odgovoru na pismo A. Friedmana, priznao ispravnost ovih odluka i nazvao A. Friedmana „prvim naučnikom koji je krenuo putem konstruisanja relativističkih modela Univerzuma“. Nažalost, A. Friedman je rano umro. U njegovoj osobi, nauka je izgubila talentovanog naučnika.

Kao što je gore navedeno, ni A. Friedman ni A. Einstein nisu znali podatke o činjenici „rasipanja“ galaksija koje je dobio američki astronom V. Slifer (1875-1969) 1912. Do 1925. izmjerio je brzinu kretanja od nekoliko desetina galaksija. Stoga se o kosmološkim idejama A. Friedmana raspravljalo uglavnom u teorijskom smislu. NOveć V 1929

G.američkoastronom E. Hubble (1889-1953) With uz pomoć teleskop sa spektrom instrumenataAlinijska analizaodwing tAna poziveopranouhefekat

"crvenoraseljavanje." Svjetlost koja dolazi iz galaksija koje je promatrao

pomaknut u crveni dio spektra boja vidljive svjetlosti. Ovo je značilo

da se posmatrane galaksije udaljavaju, "rasipajući se" od posmatrača.

Efekat crvenog pomaka je poseban slučaj Doplerovog efekta. Austrijski naučnik K. Dopler (1803-1853) otkrio ga je 1824. Kada se izvor talasa udalji u odnosu na uređaj koji snima talase, talasna dužina se povećava i postaje kraća kada se približava stacionarnom prijemniku talasa. U slučaju svetlosnih talasa, dugi talasi svetlosti odgovaraju crvenom segmentu svetlosnog spektra (crveno - ljubičasto), kratki - ljubičastom segmentu. Efekat “crvenog pomaka” koristio je E. Hubble za mjerenje udaljenosti do galaksija i brzine njihovog uklanjanja: ako je “crveni pomak” iz galaksije A, Na primjer, bolwe V dva puta, kako od galaksije IN, zatim udaljenost do galaksije A duplo više nego prije galaksije IN.

E. Hubble je otkrio da se sve promatrane galaksije udaljavaju u svim smjerovima nebeske sfere brzinom proporcionalnom udaljenosti do njih: Vr = Hr, Gdje r - udaljenost do posmatrane galaksije, mjereno u parsekima (1 ps je približno jednak 3,1 10 1 6 m), Vr - brzina kretanja posmatrane galaksije, Η - Hubbleova konstanta ili koeficijent proporcionalnosti između brzine galaksije i njene udaljenosti

od posmatrača. Nebeska sfera je koncept koji se koristi za opisivanje objekata na zvjezdanom nebu golim okom. Stari su smatrali da je nebeska sfera stvarnost, na čijoj su unutrašnjoj strani bile fiksirane zvijezde. Izračunavajući vrijednost ove veličine, koja je kasnije postala poznata kao Hubble konstanta, E. Hubble je došao do zaključka da je ona iznosila približno 500 km/(s Mpc). Drugim riječima, komad prostora od milion parseka povećava se za 500 km u jednoj sekundi.

Formula Vr= Hr omogućava nam da razmotrimo kako uklanjanje galaksija tako i obrnutu situaciju, kretanje prema određenom početnom položaju, početak „rasipanja“ galaksija u vremenu. Recipročna vrijednost Hubble konstante ima dimenziju vremena: t(vrijeme) = r/Vr = 1/H. Kada vrijednost N, kao što je gore pomenuto, E. Hubble je dobio vreme za početak „rasipanja“ galaksija da bude jednako 3 milijarde godina, što ga je navelo da sumnja u relativnost tačnosti vrednosti koju je izračunao. Koristeći efekat "crvenog pomaka", E. Hubble je stigao do najudaljenijih galaksija poznatih u to vrijeme: što je galaksija udaljenija, to je njen sjaj zapažen za nas niži. To je omogućilo E. Hubbleu da kaže da je formula Vr = HR izražava uočenu činjenicu širenja Univerzuma, o kojoj se raspravljalo u modelu A. Friedmana. Astronomsko istraživanje E. Hubblea počelo je da se smatra od strane brojnih naučnika kao eksperimentalna potvrda ispravnosti A. Friedmanovog modela nestacionarnog, širećeg Univerzuma.

Već 1930-ih, neki naučnici su izrazili sumnju u ove podatke

E. Hubble. Na primjer, P. Dirac je iznio hipotezu o prirodnom crvenilu svjetlosnih kvanta zbog njihove kvantne prirode i interakcije s elektromagnetnim poljima svemira. Drugi su ukazivali na teorijsku nedosljednost Hablove konstante: zašto bi vrijednost Hubble konstante bila ista u svakom trenutku u evoluciji svemira? Ova stabilna konstantnost Hubble konstante sugerira da su nam poznati zakoni Univerzuma, koji djeluju u Megagalaksiji, obavezni za cijeli Univerzum u cjelini. Možda, kako kažu kritičari Hablove konstante, postoje neki drugi zakoni s kojima se Hablova konstanta neće pridržavati.

Na primjer, kažu, svjetlost može "pocrvenjeti" zbog utjecaja međuzvjezdanog (ISM) i međugalaktičkog (IGM) medija, koji može produžiti talasnu dužinu svog kretanja do posmatrača. Drugo pitanje koje je izazvalo rasprave u vezi sa istraživanjem E. Hubblea bilo je pitanje pretpostavke mogućnosti kretanja galaksija brzinama većim od brzine svjetlosti. Ako je to moguće, onda bi ove galaksije mogle nestati iz našeg promatranja, budući da se iz opće teorije relativnosti nijedan signal ne može prenositi brže od svjetlosti. Ipak, većina naučnika vjeruje da su zapažanja E. Hubblea utvrdila činjenicu širenja Univerzuma.

Činjenica širenja galaksija ne znači širenje unutar samih galaksija, jer je njihova strukturna sigurnost osigurana djelovanjem unutrašnjih gravitacijskih sila.

Zapažanja E. Hubblea doprinijela su daljoj raspravi o modelima A. Friedmana. belgijskimonahIastronomI.Lemetr(VneRurlajpola prošlo)vekaplaćenoobrati pažnjuAcijaonslepušeokolnost:recesija galaksijeznačiproširenjeprostor,dakle,Vprošlost

biosmanjitivolumenIPlodnosiVedruštvo. Lemaitre je početnu gustinu supstance nazvao proto-atomom gustine 10 9 3 g/cm 3, od kojeg je Bog stvorio svet. Iz ovog modela proizilazi da se koncept gustoće materije može koristiti za određivanje granica primjenjivosti koncepata prostora i vremena. Pri gustoći od 10 9 3 g/cm 3 pojmovi vremena i prostora gube uobičajeno fizičko značenje. Ovaj model je skrenuo pažnju na fizičko stanje sa super gustim i super vrućim fizičkim parametrima. Pored toga, predloženi su modeli pulsirajućiUniverzum: Univerzum se širi i skuplja, ali nikada ne doseže krajnje granice. Modeli pulsirajućeg univerzuma stavljaju veliki naglasak na mjerenje gustine energije i materije u svemiru. Kada se dostigne granica kritične gustine, Univerzum se širi ili skuplja. Kao rezultat toga, pojavio se termin "singulIrnoe"(lat. singularus - odvojeno, jedno) stanje u kojem gustina i temperatura poprimaju beskonačnu vrijednost. Ova linija istraživanja suočila se s problemom “skrivene mase” Univerzuma. Činjenica je da se posmatrana masa Univerzuma ne poklapa sa njegovom masom izračunatom na osnovu teorijskih modela.

Model„Velikieksplozija." Naš sunarodnik G. Gamow (1904-1968)

radio na Petrogradskom univerzitetu i bio upoznat sa kosmološkim idejama

A. Friedman. Godine 1934. poslan je na službeni put u SAD, gdje je ostao do kraja života. Pod uticajem kosmoloških ideja A. Friedmana, G. Gamow se zainteresovao za dva problema:

1) relativno obilje hemijskih elemenata u Univerzumu i 2) njihovo poreklo. Do kraja prve polovine dvadesetog veka. Vodila se živa rasprava o ovim problemima: gdje se mogu formirati teški hemijski elementi ako su vodonik (1 1 H) i helijum (4 H) najzastupljeniji hemijski elementi u Univerzumu. G. Gamow je sugerisao da hemijski elementi prate svoju istoriju do samog početka širenja Univerzuma.

ModelG.GamovanApozvaomodel„Velikieksplozija",nOonaIma

Iostaloime:"A-B-D-teorija". Ovaj naslov označava početna slova autora članka (Alpher, Bethe, Gamow), koji je objavljen 1948. godine i sadržavao je model „vrućeg svemira“, ali je glavna ideja ovog članka pripadala G. Gamowu. .

Ukratko o suštini ovog modela:

1. „Izvorni početak“ Univerzuma, prema Friedmanovom modelu, predstavljalo je super-gusto i supervruće stanje.

2. Ovo stanje je nastalo kao rezultat prethodne kompresije cjelokupne materijalne i energetske komponente Univerzuma.

3. Ovo stanje je odgovaralo izuzetno maloj zapremini.

4. Energetska materija je, dostigavši ​​određenu granicu gustine i temperature u ovom stanju, eksplodirala, dogodio se Veliki prasak, koji je Gamow nazvao

"Kosmološki veliki prasak".

5. Govorimo o neobičnoj eksploziji.

6. Veliki prasak je dao određenu brzinu kretanja svim fragmentima prvobitnog fizičkog stanja prije Velikog praska.

7. Pošto je početno stanje bilo supervruće, širenje bi trebalo da sačuva ostatke ove temperature u svim pravcima Univerzuma koji se širi.

8. Vrijednost ove preostale temperature trebala bi biti približno ista u svim tačkama Univerzuma.

Ovaj fenomen je nazvan reliktnim (drevnim), pozadinskim zračenjem.

1953 G. Gamow je izračunao temperaturu talasa kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. On

ispostavilo se da je 10 K. CMB zračenje je mikrotalasno elektromagnetno zračenje.

Godine 1964. američki stručnjaci A. Penzias i R. Wilson slučajno su otkrili reliktno zračenje. Postavljanjem antena novog radio-teleskopa nisu mogli da se oslobode smetnji u opsegu od 7,8 cm.Ove smetnje i šum dolazili su iz svemira, identične veličine iu svim pravcima. Mjerenja ovog pozadinskog zračenja dala su temperaturu manju od 10 K.

Tako je potvrđena hipoteza G. Gamowa o reliktnom, pozadinskom zračenju. G. Gamow je u svojim radovima o temperaturi pozadinskog zračenja koristio formulu A. Friedmana, koja izražava zavisnost promjena gustine zračenja tokom vremena. U paraboličnom ( K> 0) modeli univerzuma. Friedman je razmatrao stanje u kojem zračenje dominira materijom svemira koji se beskonačno širi.

Prema Gamowovom modelu, postojale su dvije ere u razvoju Univerzuma: a) prevlast zračenja (fizičkog polja) nad materijom;

b) prevlast materije nad zračenjem. U početnom periodu zračenje je prevladavalo nad materijom, zatim je došlo vrijeme kada je njihov odnos bio jednak, te period kada je materija počela da dominira nad zračenjem. Gamow je odredio granicu između ovih era - 78 miliona godina.

Krajem dvadesetog veka. mjerenje mikroskopskih promjena pozadinskog zračenja, što je tzv pockmarkedbYu, naveli su brojne istraživače da tvrde da ovi talasi predstavljaju promjenu gustine supstanceIenergijeGIIV kao rezultat dejstva gravitacionih sila na ranim fazama razvoja Univerzum.

Model „UflyatsiOnnoyUniverzum".

Termin "inflacija" (lat. "inflacija") se tumači kao otok. Dva istraživača A. Guth i P. Seinhardt predložili su ovaj model. U ovom modelu, evolucija Univerzuma je praćena gigantskim oticanjem kvantnog vakuuma: za 10-30 s veličina Univerzuma se povećava za 10 50 puta. Inflacija je adijabatski proces. Povezuje se sa hlađenjem i nastankom razlika između slabih, elektromagnetnih i jakih interakcija. Analogiju za inflaciju Univerzuma može, grubo rečeno, predstavljati iznenadna kristalizacija prehlađene tečnosti. U početku se faza inflacije smatrala „ponovnim rođenjem“ Univerzuma nakon Velikog praska. Trenutno, modeli inflacije koriste koncept InflatonnOthpolja. Ovo je hipotetičko polje (od riječi "inflacija"), u kojem je zahvaljujući nasumičnim fluktuacijama nastala homogena konfiguracija ovog polja veličine veće od 10 -33 cm. Iz nje je došlo do širenja i zagrijavanja Univerzum u kojem živimo.

Opis događaja u Univerzumu zasnovan na modelu „Inflatornog univerzuma“ potpuno se poklapa sa opisom zasnovanim na modelu Velikog praska, počevši od 10 -30 od ekspanzije. Faza inflacije znači da je vidljivi Univerzum samo dio Univerzuma. U udžbeniku T. Ya. Dubnischeve „Koncepti moderne prirodne nauke“ predlaže se sledeći tok događaja prema modelu „Inflatornog univerzuma“:

1) t - 10 - 4 5 s. U ovom trenutku, nakon što je počelo širenje Univerzuma, njegov radijus je bio otprilike 10 -50 cm.Ovaj događaj je neobičan sa stanovišta moderne fizike. Pretpostavlja se da mu prethode događaji generisani kvantnim efektima inflatonskog polja. Ovo vrijeme je manje od vremena "Planckove ere" - 10 - 4 3 s. Ali to ne zbunjuje pristalice ovog modela, koji izvode proračune u vremenu od 10 -50 s;

2) t - otprilike od 10 -43 do 10 -35 s - doba "Velikog ujedinjenja" ili ujedinjenja svih sila fizičke interakcije;

3) t - otprilike od 10 - 3 5 do 10 -5 - brzi dio faze inflacije,

kada se prečnik Univerzuma povećao za 10 5 0 puta. Govorimo o nastanku i formiranju elektron-kvark medija;

4) t- otprilike od 10 -5 do 10 5 s, prvo dolazi do zadržavanja kvarkova u hadronima, a zatim do formiranja jezgara budućih atoma iz kojih se naknadno formira materija.

Iz ovog modela proizilazi da nakon jedne sekunde od početka širenja Univerzuma dolazi do procesa nastanka materije, njenog odvajanja od fotona elektromagnetne interakcije i formiranja protosuperklastera i protogalaksija. Zagrijavanje nastaje kao rezultat pojave čestica i antičestica koje međusobno djeluju. Ovaj proces se naziva anihilacija (lat. nihil - ništa ili transformacija u ništa). Autori modela smatraju da je anihilacija asimetrična prema formiranju običnih čestica koje čine naš Univerzum. Dakle, glavna ideja modela "inflatornog univerzuma" je da isključi koncept

“Veliki prasak” kao posebno, neobično, izuzetno stanje u evoluciji Univerzuma. Međutim, u ovom modelu se pojavljuje jednako neobično stanje. Ovo je država configuracije inflaton field. Starost Univerzuma u ovim modelima procjenjuje se na 10-15 milijardi godina.

“Inflatorni model” i model “Velikog praska” daju objašnjenje za uočenu heterogenost Univerzuma (gustina kondenzacije materije). Konkretno, vjeruje se da su tokom inflacije Univerzuma nastale kosmičke nehomogenosti-teksture kao embrioni agregata materije, koji su kasnije prerasli u galaksije i njihova jata. O tome svjedoči i ono što je zabilježeno 1992. godine. odstupanje temperature kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja od njegove prosječne vrijednosti od 2,7 K je približno 0,00003 K. Oba modela govore o Univerzumu koji se vruće širi, u prosjeku homogenom i izotropnom u odnosu na kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. U potonjem slučaju mislimo na činjenicu da je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje gotovo identično u svim dijelovima opservabilnog Univerzuma u svim smjerovima od posmatrača.

Postoje alternative modelima Velikog praska i Inflatornog modela.

Univerzum": modeli "Stacionarnog univerzuma", "hladnog univerzuma" i

"Samokonzistentna kosmologija".

Model"StacionarnoUniverzum." Ovaj model je razvijen 1948. godine. Zasnovan je na principu „kosmološke postojanosti“ Univerzuma: ne samo da ne bi trebalo postojati ni jedno dodijeljeno mjesto u Univerzumu, već se ne smije dodijeliti niti jedan trenutak u vremenu. Autori ovog modela su G. Bondi, T. Gold i F. Hoyle, potonji, poznati autor popularnih knjiga o kosmologiji. U jednom od svojih radova napisao je:

“Svaki oblak, galaksija, svaka zvijezda, svaki atom je imao početak, ali ne i cijeli Univerzum, Univerzum je nešto više od svojih dijelova, iako ovaj zaključak može izgledati neočekivano.” Ovaj model pretpostavlja prisustvo u Univerzumu unutrašnjeg izvora, rezervoara energije koji održava gustinu svoje energetske materije na „konstantnom nivou koji sprečava kompresiju Univerzuma“. Na primjer, F. Hoyle je tvrdio da ako se jedan atom pojavi u jednoj kanti svemira svakih 10 miliona godina, tada bi gustina energije, materije i zračenja u Univerzumu kao cjelini bila konstantna. Ovaj model ne objašnjava kako su nastali atomi hemijskih elemenata, materije itd.

d) Otkriće reliktnog zračenja, pozadinskog zračenja, uvelike je potkoilo teorijske osnove ovog modela.

Model« HladnoUniverzumth». Model je predložen šezdesetih godina

godine prošlog veka od strane sovjetskog astrofizičara Ya. Zeldovicha. Poređenje

teorijske vrijednosti gustine zračenja i temperature prema modelu

„Veliki prasak“ sa podacima radio-astronomije omogućio je Ya. Zeldovichu da iznese hipotezu prema kojoj je početno fizičko stanje Univerzuma bio hladan proton-elektronski gas sa primesom neutrina: za svaki proton postoji jedan elektron i jedan neutrino. Otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, koje je potvrdilo hipotezu o početnom vrućem stanju u evoluciji Univerzuma, navelo je Zeldoviča da napusti sopstveni model „hladnog univerzuma“. Međutim, ideja o izračunavanju odnosa između broja različitih vrsta čestica i obilja kemijskih elemenata u svemiru pokazala se plodnom. Konkretno, otkriveno je da se gustoća energije i materije u Univerzumu poklapa sa gustinom kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja.

Model„UniverzumVatom." Ovaj model kaže da u stvari ne postoji jedan, već mnogo Univerzuma. Model “Univerzum u atomu” zasnovan je na konceptu zatvorenog svijeta prema A. Friedmanu. Zatvoreni svijet je područje Univerzuma u kojem su sile privlačenja između njegovih komponenti jednake energiji njihove ukupne mase. U ovom slučaju, vanjske dimenzije takvog Univerzuma mogu biti mikroskopske. Sa tačke gledišta spoljašnjeg posmatrača, to će biti mikroskopski objekat, ali sa tačke gledišta posmatrača unutar ovog Univerzuma, sve izgleda drugačije: njegove galaksije, zvezde, itd. Ovi objekti se nazivaju fReadmonov. Akademik A. A. Markov je pretpostavio da može postojati neograničen broj Fridmona i da mogu biti potpuno otvoreni, odnosno da imaju ulaz u svoj svijet i izlaz (vezu) sa drugim svjetovima. Ispostavilo se da postoji mnogo svemira, ili, kako je to nazvao dopisni član Akademije nauka SSSR-a I. S. Shklovsky u jednom od svojih radova, - Metaverse.

Ideju o višestrukosti Univerzuma iznio je A. Guth, jedan od autora inflatornog modela Univerzuma. U naduvanom Univerzumu moguće je formiranje "aneurizme" (medicinski izraz koji označava izbočenje zidova krvnih sudova) iz matičnog univerzuma. Prema ovom autoru, stvaranje Univerzuma je sasvim moguće. Da biste to učinili, morate komprimirati 10 kg tvari

na veličinu manju od jedne kvadriliontine elementarne čestice.

PITANJA ZA SAMOTEST

1. Model “Big Banga”.

2. Astronomska istraživanja E. Hubblea i njihova uloga u razvoju

moderna kosmologija.

3. Reliktno, pozadinsko zračenje.

4. Model “Inflatornog univerzuma”.

Hipoteza višelisnog modela Univerzuma

Predgovor autora sajta: Za pažnju čitalaca sajta "Znanje je moć" nudimo fragmente iz 29. poglavlja knjige Andreja Dmitrijeviča Saharova "Memoari". Akademik Saharov govori o radu na polju kosmologije, koji je obavljao nakon što je počeo aktivno da se bavi aktivnostima za ljudska prava - posebno u izgnanstvu Gorkog. Ovaj materijal je nesumnjivo zanimljiv na temu „Univerzum“, o kojoj se govori u ovom poglavlju naše stranice. Upoznat ćemo se s hipotezom o višelisnom modelu Univerzuma i drugim problemima kosmologije i fizike. ...I, naravno, prisjetimo se naše nedavne tragične prošlosti.

Akademik Andrej Dmitrijevič SAKAROV (1921-1989).

U Moskvi 70-ih iu Gorkom nastavio sam svoje pokušaje da proučavam fiziku i kosmologiju. Tokom ovih godina nisam mogao da iznesem značajnije nove ideje, a nastavio sam da razvijam one pravce koji su već bili predstavljeni u mojim radovima iz 60-ih (i opisani u prvom delu ove knjige). To je vjerovatno dio većine naučnika kada dođu do određene starosne granice za njih. Ipak, ne gubim nadu da će mi možda još nešto „zasjati“. Istovremeno, moram reći da samo posmatranje naučnog procesa, u kojem vi sami ne učestvujete, ali znate šta je šta, donosi duboku unutrašnju radost. U tom smislu, ja „nisam pohlepan“.

1974. jesam i 1975. objavio rad u kojem sam razvio ideju o nultom Lagranžijanu gravitacionog polja, kao i metode proračuna koje sam koristio u prethodnim radovima. Istovremeno, ispostavilo se da sam došao do metode koju su prije mnogo godina predložili Vladimir Aleksandrovič Fok, a potom Julian Schwinger. Međutim, moj zaključak i sam put izgradnje, metode su bile potpuno različite. Nažalost, nisam mogao poslati svoj rad Foku – on je upravo tada umro.

Kasnije sam otkrio neke greške u svom članku. Ostalo je nerazjašnjeno pitanje da li „indukovana gravitacija” (savremeni termin koji se koristi umesto termina „nulti Lagranžijan”) daje ispravan znak gravitacione konstante u bilo kojoj od opcija koje sam razmatrao.<...>

Tri rada - jedan objavljen prije mog protjerivanja i dva nakon mog protjerivanja - posvećena su kosmološkim problemima. U prvom radu govorim o mehanizmima barionske asimetrije. Od nekog interesa su, možda, opća razmatranja o kinetici reakcija koje dovode do barionske asimetrije Univerzuma. Međutim, konkretno u ovom radu razmišljam u okviru svoje stare pretpostavke o postojanju „kombinovanog“ zakona održanja (suma brojeva kvarkova i leptona je očuvana). Već sam u prvom dijelu svojih memoara napisao kako sam došao na ovu ideju i zašto je sada smatram pogrešnom. Sve u svemu, ovaj dio posla mi se čini neuspjelim. Mnogo više volim dio posla o kojem pišem model univerzuma sa više listova . Ovo je pretpostavka da kosmološka ekspanzija Univerzuma se zamjenjuje kompresijom, zatim novim širenjem na način da se ciklusi kompresije - širenja ponavljaju beskonačan broj puta. Takvi kosmološki modeli dugo su privlačili pažnju. Zvali su ih različiti autori "pulsirajući" ili "oscilirajući" modeli Univerzuma. Više mi se sviđa taj termin "model sa više listova" . Čini se ekspresivnijim, više u skladu s emocionalnim i filozofskim značenjem grandiozne slike ponovnog ponavljanja ciklusa postojanja.

Dokle god se pretpostavljalo očuvanje, model sa više listova naišao je, međutim, na nepremostivu poteškoću koja proizlazi iz jednog od osnovnih zakona prirode - drugog zakona termodinamike.

Povlačenje. U termodinamiku se uvodi određena karakteristika stanja tijela tzv. Moj tata se jednom sjetio jedne stare popularne naučne knjige pod nazivom “Kraljica svijeta i njena sjena”. (Nažalost, zaboravio sam ko je autor ove knjige.) Kraljica je, naravno, energija, a senka je entropija. Za razliku od energije, za koju postoji zakon održanja, za entropiju drugi zakon termodinamike uspostavlja zakon povećanja (tačnije, neopadanja). Procesi u kojima se ukupna entropija tijela ne mijenja nazivaju se (smatraju) reverzibilni. Primjer reverzibilnog procesa je mehaničko kretanje bez trenja. Reverzibilni procesi su apstrakcija, granični slučaj ireverzibilnih procesa praćenih povećanjem ukupne entropije tijela (prilikom trenja, prijenosa topline itd.). Matematički, entropija se definiše kao veličina čiji je porast jednak prilivu toplote podeljenom sa apsolutnom temperaturom (dodatno se pretpostavlja - tačnije, iz opštih principa - da su entropija na temperaturi apsolutne nule i entropija vakuuma jednake na nulu).

Numerički primjer radi jasnoće. Određeno telo koje ima temperaturu od 200 stepeni prenosi 400 kalorija tokom razmene toplote na drugo telo koje ima temperaturu od 100 stepeni. Entropija prvog tijela je smanjena za 400/200, tj. za 2 jedinice, a entropija drugog tijela se povećala za 4 jedinice; Ukupna entropija je povećana za 2 jedinice, u skladu sa zahtjevom drugog zakona. Imajte na umu da je ovaj rezultat posljedica činjenice da se toplina prenosi sa toplijeg tijela na hladnije.

Povećanje ukupne entropije tokom neravnotežnih procesa u konačnici dovodi do zagrijavanja tvari. Okrenimo se kosmologiji, modelima s više listova. Ako pretpostavimo da je broj bariona fiksan, onda će se entropija po barionu neograničeno povećavati. Supstanca će se neograničeno zagrijavati sa svakim ciklusom, tj. uslovi u Univerzumu se neće ponoviti!

Poteškoća je otklonjena ako napustimo pretpostavku o očuvanju barionskog naboja i uzmemo u obzir, u skladu s mojom idejom iz 1966. godine i njenim kasnijim razvojem od strane mnogih drugih autora, da barionski naboj proizlazi iz "entropije" (tj. neutralne vruće materije) u ranim fazama kosmološke ekspanzije Univerzuma. U ovom slučaju, broj formiranih bariona je proporcionalan entropiji u svakom ciklusu ekspanzije-kompresije, tj. uslovi za evoluciju materije i formiranje strukturnih oblika mogu biti približno isti u svakom ciklusu.

Prvi put sam skovao termin "model sa više listova" u radu iz 1969. godine. U svojim nedavnim člancima koristim isti termin u malo drugačijem smislu; Ovo spominjem ovdje da ne bi došlo do nesporazuma.

Prvi od posljednja tri članka (1979) ispitivao je model u kojem se pretpostavlja da je prostor u prosjeku ravan. Takođe se pretpostavlja da Ajnštajnova kosmološka konstanta nije nula i da je negativna (iako veoma mala po apsolutnoj vrednosti). U ovom slučaju, kao što pokazuju jednačine Ajnštajnove teorije gravitacije, kosmološka ekspanzija neizbežno ustupa mesto kompresiji. Štaviše, svaki ciklus u potpunosti ponavlja prethodni po svojim prosječnim karakteristikama. Važno je da model bude prostorno ravan. Uz ravnu geometriju (Euklidska geometrija), sljedeća dva rada posvećena su i razmatranju geometrije Lobačevskog i geometrije hipersfere (trodimenzionalni analog dvodimenzionalne sfere). U ovim slučajevima, međutim, javlja se još jedan problem. Povećanje entropije dovodi do povećanja radijusa Univerzuma u odgovarajućim trenucima svakog ciklusa. Ekstrapolirajući u prošlost, otkrivamo da je svakom datom ciklusu mogao prethoditi samo konačan broj ciklusa.

U “standardnoj” (jednolisnoj) kosmologiji postoji problem: šta je bilo prije trenutka najveće gustine? U kosmologijama sa više listova (osim u slučaju prostorno ravnog modela) ovaj problem se ne može izbjeći - pitanje se prenosi na trenutak početka ekspanzije prvog ciklusa. Može se zauzeti stav da je početak ekspanzije prvog ciklusa ili, u slučaju standardnog modela, jedinog ciklusa Trenutak stvaranja svijeta, pa stoga pitanje šta se dogodilo prije toga leži iza obim naučnog istraživanja. Međutim, možda je jednako – ili, po mom mišljenju, više – opravdan i plodan pristup koji omogućava neograničeno naučno istraživanje materijalnog svijeta i prostor-vremena. U isto vrijeme, očigledno, nema mjesta za čin stvaranja, ali osnovni religijski koncept božanskog značenja bića nije pod utjecajem nauke i leži izvan njenih granica.

Poznate su mi dvije alternativne hipoteze vezane za problem o kojem se raspravlja. Jedan od njih, čini mi se, prvi put sam izrazio 1966. godine i bio je predmet brojnih pojašnjenja u narednim radovima. Ovo je hipoteza „okretanja strele vremena“. Usko je povezan sa takozvanim problemom reverzibilnosti.

Kao što sam već napisao, potpuno reverzibilni procesi ne postoje u prirodi. Trenje, prijenos topline, emisija svjetlosti, kemijske reakcije, životne procese karakterizira nepovratnost, upadljiva razlika između prošlosti i budućnosti. Ako snimimo neki nepovratan proces, a zatim film pustimo u suprotnom smjeru, vidjet ćemo na ekranu nešto što se u stvarnosti ne može dogoditi (na primjer, zamašnjak koji se okreće po inerciji povećava brzinu rotacije, a ležajevi se hlade). Kvantitativno, ireverzibilnost se izražava u monotonom porastu entropije. Istovremeno, atomi, elektroni, atomska jezgra itd. koji su dio svih tijela. kretati se po zakonima mehanike (kvantnim, ali to je ovdje nevažno), koji su potpuno reverzibilni u vremenu (u kvantnoj teoriji polja - uz istovremenu CP refleksiju, vidjeti u prvom dijelu). Asimetrija dva pravca vremena (prisustvo "strelice vremena", kako kažu) sa simetrijom jednačina kretanja dugo je privlačila pažnju kreatora statističke mehanike. Diskusija o ovom pitanju počela je u posljednjim decenijama prošlog stoljeća i ponekad je bila prilično burna. Rješenje koje je manje-više zadovoljilo sve bila je hipoteza da je asimetrija posljedica početnih uvjeta kretanja i položaja svih atoma i polja „u beskonačno dalekoj prošlosti“. Ovi početni uslovi moraju biti „slučajni“ u nekom dobro definisanom smislu.

Kao što sam predložio (1966. i eksplicitnije 1980.), u kosmološkim teorijama koje imaju određenu tačku u vremenu, ove nasumične početne uslove treba pripisati ne beskonačno dalekoj prošlosti (t -> - ∞), već ovoj odabranoj tački (t = 0).

Tada automatski u ovom trenutku entropija ima minimalnu vrijednost, a kada se kreće naprijed ili nazad od nje u vremenu, entropija se povećava. To je ono što sam nazvao "okretanjem strele vremena". Pošto se, kada se strelica vremena okrene, svi procesi, uključujući i informacijske procese (uključujući i životne procese), obrnu, ne nastaju paradoksi. Gore navedene ideje o preokretu strele vremena, koliko ja znam, nisu dobile priznanje u naučnom svijetu. Ali meni se čine zanimljivim.

Rotacija strele vremena vraća simetriju dva pravca vremena svojstvenu jednačinama kretanja u kosmološkoj slici sveta!

Godine 1966-1967 Pretpostavio sam da na prekretnici strelice vremena dolazi do CPT refleksije. Ova pretpostavka je bila jedna od polaznih tačaka mog rada na barionskoj asimetriji. Ovdje ću iznijeti još jednu hipotezu (Kirzhnitz, Linde, Guth, Turner i drugi su imali ruku; ovdje imam samo napomenu da postoji okretanje strele vremena).

Moderne teorije pretpostavljaju da vakuum može postojati u različitim stanjima: stabilan, sa gustinom energije jednakom nuli sa velikom tačnošću; i nestabilan, koji ima ogromnu pozitivnu gustoću energije (efektivna kosmološka konstanta). Potonje stanje se ponekad naziva "lažni vakuum".

Jedno od rješenja jednadžbi opće relativnosti za takve teorije je sljedeće. Univerzum je zatvoren, tj. u svakom trenutku predstavlja “hipersferu” konačnog volumena (hipersfera je trodimenzionalni analog dvodimenzionalne površine sfere; hipersfera se može zamisliti “ugrađena” u četverodimenzionalni euklidski prostor, baš kao dvodimenzionalni dimenzionalna sfera je „ugrađena“ u trodimenzionalni prostor). Radijus hipersfere ima minimalnu konačnu vrijednost u nekom trenutku (označimo ga t = 0) i raste s rastojanjem od ove tačke, kako naprijed tako i unazad u vremenu. Entropija je nula za lažni vakuum (kao i za svaki vakuum općenito) i kada se udaljava od tačke t = 0 naprijed ili nazad u vremenu, povećava se zbog raspada lažnog vakuuma, pretvarajući se u stabilno stanje pravog vakuuma . Dakle, u tački t = 0 strelica vremena rotira (ali ne postoji kosmološka CPT simetrija, koja zahtijeva beskonačnu kompresiju u tački refleksije). Kao iu slučaju CPT simetrije, sva očuvana naelektrisanja su i ovdje jednaka nuli (iz trivijalnog razloga - pri t = 0 postoji vakuumsko stanje). Stoga je i u ovom slučaju potrebno pretpostaviti dinamičku pojavu uočene barionske asimetrije uzrokovane narušavanjem CP invarijantnosti.

Alternativna hipoteza o praistoriji Univerzuma je da zapravo ne postoje jedan ili dva Univerzuma (kao - u nekom smislu te riječi - u hipotezi o okretanju strele vremena), već mnogi radikalno različiti jedan od drugog i proizilaze iz nekog “primarnog” prostora (ili njegovih sastavnih čestica; ovo može biti samo drugačiji način da se to kaže). Drugi Univerzumi i primarni prostor, ako ima smisla o tome govoriti, mogu, posebno, imati, u poređenju sa „našim“ Univerzumom, različit broj „makroskopskih“ prostornih i vremenskih dimenzija – koordinata (u našem Univerzumu – tri prostorne i jednu vremensku dimenziju; u drugim univerzumima sve može biti drugačije!) Molim vas da ne obraćate posebnu pažnju na pridjev „makroskopski“ stavljen pod navodnike. Povezuje se sa hipotezom „kompaktizacije“, prema kojoj je većina dimenzija kompaktifikovana, tj. zatvorena na sebe u vrlo malom obimu.

Struktura "Mega-Univerzuma"

Pretpostavlja se da ne postoji kauzalna veza između različitih Univerzuma. Upravo to opravdava njihovu interpretaciju kao odvojene Univerzume. Ovu grandioznu strukturu nazivam "Mega univerzum". Nekoliko autora raspravljalo je o varijacijama takvih hipoteza. Konkretno, hipotezu o višestrukim rođenjima zatvorenih (približno hipersferičnih) univerzuma brani u jednom od svojih radova Ya.B. Zeldovich.

Ideje Mega Universe su izuzetno zanimljive. Možda istina leži upravo u ovom pravcu. Za mene, u nekim od ovih konstrukcija postoji, međutim, jedna nejasnoća donekle tehničke prirode. Sasvim je prihvatljivo pretpostaviti da su uvjeti u različitim dijelovima prostora potpuno različiti. Ali zakoni prirode moraju nužno biti isti svuda i uvijek. Priroda ne može biti poput kraljice u Carrollovoj Alisi u zemlji čuda, koja je samovoljno promijenila pravila igre kroketa. Postojanje nije igra. Moje sumnje se odnose na one hipoteze koje dozvoljavaju prekid kontinuiteta prostor-vreme. Da li su takvi procesi prihvatljivi? Nisu li oni kršenje zakona prirode na prijelomnim tačkama, a ne „uslova postojanja“? Ponavljam, nisam siguran da su to opravdane zabrinutosti; Možda, opet, kao iu pitanju očuvanja broja fermiona, polazim sa suviše uske tačke gledišta. Osim toga, sasvim su zamislive hipoteze u kojima se rađanje Univerzuma događa bez prekida kontinuiteta.

Pretpostavka da je spontano rađanje mnogih, a možda i beskonačnog broja Univerzuma koji se razlikuju po svojim parametrima, te da se Univerzum koji nas okružuje izdvaja među mnogim svjetovima upravo uslovom za nastanak života i inteligencije, naziva se „antropskim principom ” (AP). Zeldovich piše da prvo razmatranje AP-a koje mu je poznato u kontekstu širenja svemira pripada Idlisu (1958). U konceptu univerzuma sa više listova, antropski princip takođe može igrati ulogu, ali za izbor između uzastopnih ciklusa ili njihovih regiona. O ovoj mogućnosti govori se u mom radu „Višestruki modeli univerzuma“. Jedna od poteškoća modela sa više listova je ta što formiranje “crnih rupa” i njihovo spajanje narušava simetriju u fazi kompresije toliko da je potpuno nejasno da li su uslovi sljedećeg ciklusa pogodni za formiranje visoko organiziranih strukture. S druge strane, u dovoljno dugim ciklusima dolazi do procesa raspadanja bariona i isparavanja crne rupe, što dovodi do izglađivanja svih nehomogenosti gustine. Pretpostavljam da kombinovano djelovanje ova dva mehanizma - formiranje crnih rupa i poravnavanje nehomogenosti - dovodi do uzastopne promjene "glađih" i "poremećenijih" ciklusa. Našem ciklusu je trebalo da prethodi "glatki" ciklus tokom kojeg se nisu formirale crne rupe. Da budemo precizni, možemo razmotriti zatvoreni Univerzum sa “lažnim” vakuumom na prekretnici strele vremena. Kozmološka konstanta u ovom modelu može se smatrati jednakom nuli; promjena od širenja do kompresije nastaje jednostavno zbog međusobnog privlačenja obične materije. Trajanje ciklusa se povećava usled povećanja entropije sa svakim ciklusom i prelazi bilo koji zadati broj (teži ka beskonačnosti), tako da su ispunjeni uslovi za raspad protona i isparavanje „crnih rupa“.

Višelisni modeli daju odgovor na takozvani paradoks velikog broja (drugo moguće objašnjenje je hipoteza Gutha et al., koja uključuje dugu fazu "inflacije", vidi Poglavlje 18).

Planeta na periferiji udaljenog globularnog zvjezdanog jata. Umjetnik © Don Dixon

Zašto je ukupan broj protona i fotona u svemiru konačnog volumena tako enormno velik, iako konačan? I drugi oblik ovog pitanja, koji se odnosi na „otvorenu“ verziju, je zašto je broj čestica tako velik u tom području beskonačnog svijeta Lobačevskog, čiji je volumen reda A 3 (A je polumjer zakrivljenosti )?

Odgovor koji daje višelisni model je vrlo jednostavan. Pretpostavlja se da su mnogi ciklusi već prošli od t = 0; tokom svakog ciklusa, entropija (tj. broj fotona) se povećavala i, shodno tome, u svakom ciklusu se stvarao sve veći višak bariona. Odnos broja bariona i broja fotona u svakom ciklusu je konstantan, jer je određen dinamikom početnih faza širenja Univerzuma u datom ciklusu. Ukupan broj ciklusa od t = 0 je upravo takav da se dobije posmatrani broj fotona i bariona. Budući da njihov broj raste eksponencijalno, za potreban broj ciklusa nećemo ni dobiti tako veliku vrijednost.

Nusproizvod mog rada iz 1982. je formula za verovatnoću gravitacionog spajanja crnih rupa (korišćena je procena u knjizi Zeldoviča i Novikova).

Još jedna intrigantna mogućnost, odnosno san, povezana je s modelima s više listova. Možda visokoorganizovani um, koji se razvija milijarde milijardi godina tokom ciklusa, pronađe način da u kodiranom obliku prenese neke od najvrednijih informacija koje ima svojim naslednicima u narednim ciklusima, odvojenim od ovog ciklusa u vremenu pomoću period super-gustog stanja?.. Analogija - prenos živih bića s generacije na generaciju genetskih informacija, “komprimiranih” i kodiranih u hromozomima jezgra oplođene ćelije. Ova mogućnost je, naravno, apsolutno fantastična, i nisam se usudio da o tome pišem u naučnim člancima, ali sam na stranicama ove knjige dao sebi slobodu. Ali bez obzira na ovaj san, hipoteza o modelu univerzuma s više listova čini mi se važnom u filozofskom svjetonazoru.

Dragi posjetitelji!

Vaš rad je onemogućen JavaScript. Omogućite skripte u svom pretraživaču i potpuna funkcionalnost stranice će vam se otvoriti!

8.2. Razvoj ideja o Univerzumu. Modeli univerzuma

Istorijski gledano, ideje o Univerzumu su se uvijek razvijale u okviru mentalnih modela Univerzuma, počevši od antičkih mitova. U mitologiji gotovo svakog naroda značajno mjesto zauzimaju mitovi o Univerzumu - njegovom nastanku, suštini, strukturi, odnosima i mogućim uzrocima kraja.

U većini drevnih mitova, svijet (Univerzum) nije vječan, stvorile su ga više sile iz nekog temeljnog principa (supstancije), obično iz vode ili iz haosa. Vrijeme je u antičkim kosmogonijskim idejama najčešće ciklično, tj. događaji rođenja, postojanja i smrti Univerzuma slijede jedan za drugim u krugu, kao i svi objekti u prirodi. Univerzum je jedinstvena cjelina, svi njegovi elementi su međusobno povezani, dubina ovih veza varira do mogućih međusobnih transformacija, događaji slijede jedan za drugim, smjenjujući jedni druge (zima i ljeto, dan i noć). Ovaj svjetski poredak je suprotstavljen haosu. Prostor svijeta je ograničen. Više sile (ponekad bogovi) djeluju ili kao kreatori Univerzuma ili kao čuvari svjetskog poretka. Struktura Univerzuma u mitovima pretpostavlja višeslojnost: uz otkriveni (srednji) svijet, postoje gornji i donji svijet, os Univerzuma (često u obliku Svjetskog drveta ili planine), centar svijet - mjesto obdareno posebnim svetim svojstvima, postoji veza između pojedinih slojeva svijeta. Postojanje svijeta koncipirano je na regresivan način – od „zlatnog doba“ do propadanja i smrti. Čovjek u drevnim mitovima može biti analog cijelog Kosmosa (cijeli svijet je stvoren od gigantskog stvorenja sličnog divovskom čovjeku), što jača vezu između čovjeka i Univerzuma. U drevnim modelima, čovjek nikada nije u središtu pozornosti.

U VI-V vijeku. BC. Stvoreni su prvi prirodno-filozofski modeli svemira, koji su najrazvijeniji u staroj Grčkoj. Krajnji koncept u ovim modelima je Kosmos kao jedinstvena cjelina, lijepa i konzistentna sa zakonom. Pitanje kako je svijet nastao upotpunjeno je pitanjem od čega je svijet napravljen i kako se mijenja. Odgovori se više ne formulišu figurativnim, već apstraktnim, filozofskim jezikom. Vrijeme u modelima je najčešće i dalje ciklično po prirodi, ali je prostor konačan. Supstanca djeluje kao pojedinačni elementi (voda, zrak, vatra - u Milezijskoj školi i kod Heraklita), mješavina elemenata i jedinstveni, nedjeljivi, nepomični Kosmos (kod Eleatika), ontologizirani broj (kod Pitagorejaca), nedjeljiv strukturne jedinice - atomi koji osiguravaju jedinstvo svijeta - kod Demokrita. To je Demokritov model univerzuma koji je beskonačan u svemiru. Prirodni filozofi su odredili status kosmičkih objekata - zvijezda i planeta, razlike među njima, njihovu ulogu i relativni položaj u Univerzumu. U većini modela pokret igra značajnu ulogu. Kosmos je izgrađen po jednom zakonu – Logosu, a i čovjek je podložan istom zakonu – mikrokosmosu, smanjenoj kopiji Kosmosa.

Razvoj pitagorejskih pogleda, koji su geometrizovali Kosmos i po prvi put ga jasno predstavili u obliku sfere koja se okreće oko centralne vatre i okružena njome, oličen je u kasnijim Platonovim dijalozima. Vjekovima se Aristotelov model, matematički obradio od strane Ptolemeja, smatrao logičnim vrhuncem antičkih pogleda na Kosmos. U donekle pojednostavljenom obliku, ovaj model, podržan od strane crkvenog autoriteta, trajao je oko 2 hiljade godina. Prema Aristotelu, Univerzum: o je sveobuhvatna cjelina, koja se sastoji od ukupnosti svih opaženih tijela; o jedinstvena;

o prostorno konačan, ograničen na ekstremnu nebesku sferu,

iza toga „nema ni praznine ni prostora“; o vječno, bespočetno i beskrajno u vremenu. Istovremeno, Zemlja je nepomična i nalazi se u centru Univerzuma, zemaljsko i nebesko (supralunarno) su apsolutno suprotne po svom fizičko-hemijskom sastavu i prirodi kretanja.

U 18.-19. veku, tokom renesanse, ponovo su se pojavili prirodni filozofski modeli univerzuma. Karakterizira ih, s jedne strane, povratak širini i filozofskim pogledima antike, as druge stroga logika i matematika naslijeđena iz srednjeg vijeka. Kao rezultat teorijskih istraživanja, Nikolaj Kuzanski, N. Kopernik, G. Bruno predlažu modele Univerzuma sa beskonačnim prostorom, ireverzibilnim linearnim vremenom, heliocentričnim Sunčevim sistemom i mnogim svetovima sličnim njemu. G. Galileo je, nastavljajući ovu tradiciju, istraživao zakone kretanja – svojstvo inercije i bio je prvi koji je svjesno koristio mentalne modele (konstrukte koji su kasnije postali osnova teorijske fizike), matematički jezik, koji je smatrao univerzalnim jezikom Univerzum, kombinacija empirijskih metoda i teorijske hipoteze koju iskustvo treba da potvrdi ili opovrgne, i, konačno, astronomska posmatranja pomoću teleskopa, što je značajno proširilo mogućnosti nauke.

G. Galileo, R. Descartes, I. Kepler postavili su temelje modernih fizičkih i kosmogonijskih ideja o svijetu, kako na njihovoj osnovi, tako i na osnovu zakona mehanike koje je Njutn otkrio krajem 17. vijeka. Formiran je prvi naučni kosmološki model Univerzuma, nazvan klasični Njutnov model. Prema ovom modelu, Univerzum: O je statičan (stacionaran), tj. prosječna konstanta tokom vremena; O je homogeno - sve njegove tačke su jednake; O je izotropno - svi pravci su jednaki; o je vječan i prostorno beskonačan, a prostor i vrijeme su apsolutni - ne zavise jedno od drugog i od pokretnih masa; O ima gustinu materije različitu od nule; O ima strukturu koja je potpuno razumljiva jezikom postojećeg sistema fizičkog znanja, što znači beskonačnu ekstrapolabilnost zakona mehanike, zakona univerzalne gravitacije, koji su osnovni zakoni za kretanje svih kosmičkih tijela.

Osim toga, u Univerzumu je primjenjiv princip dalekometnog djelovanja, tj. trenutno širenje signala; Jedinstvo Univerzuma osigurava jedna struktura - atomska struktura materije.

Empirijska osnova ovog modela bili su svi podaci dobijeni astronomskim opservacijama, a za njihovu obradu korišten je savremeni matematički aparat. Ova konstrukcija bila je zasnovana na determinizmu i materijalizmu racionalističke filozofije Novog doba. Uprkos nastalim kontradiktornostima (fotometrijski i gravitacioni paradoksi - posledice ekstrapolacije modela u beskonačnost), ideološka privlačnost i logička doslednost, kao i heuristički potencijal, učinili su Njutnov model jedinim prihvatljivim za kosmologe do 20. veka.

Potreba za revizijom pogleda na Univerzum bila je potaknuta brojnim otkrićima u 19. i 20. stoljeću: prisustvo svjetlosnog pritiska, djeljivost atoma, defekt mase, model strukture atoma, neplanarni geometrije Rimanna i Lobačevskog, ali tek sa pojavom teorije relativnosti nova kvantna relativistička teorija postala je mogući model Univerzuma.

Iz jednačina specijalne (STR, 1905) i opšte (GTR, 1916) teorije relativnosti A. Einsteina proizilazi da su prostor i vrijeme međusobno povezani u jednu metriku i zavise od tvari koja se kreće: pri brzinama bliskim brzini svjetlosti, prostor je komprimiran, vrijeme rastegnuto, a blizu kompaktnih moćnih masa prostor-vrijeme je zakrivljeno, čime je model Univerzuma geometrizovan. Bilo je čak i pokušaja da se cijeli Univerzum zamisli kao zakrivljeni prostor-vrijeme, čiji su čvorovi i defekti tumačeni kao mase.

Einstein je, rješavajući jednadžbe za Univerzum, dobio model koji je bio ograničen u prostoru i stacionaran. Ali da bi održao stacionarnost, morao je u rješenje uvesti dodatni lambda termin, koji nije bio ničim empirijski podržan, a bio je po svom djelovanju ekvivalentan polju koje se suprotstavlja gravitaciji na kosmološkim udaljenostima. Međutim, 1922-1924. AA. Friedman je predložio drugačije rješenje ovih jednačina, iz kojih je bilo moguće dobiti tri različita modela Univerzuma u zavisnosti od gustine materije, ali su sva tri modela bila nestacionarna (evoluirajuća) - model sa ekspanzijom praćen kompresijom, oscilirajući model i model sa beskonačnim širenjem. U to vrijeme, odbacivanje stacionarnosti Univerzuma bio je istinski revolucionaran korak i naučnici su ga prihvatili s velikom mukom, jer se činilo da je u suprotnosti sa svim utvrđenim naučnim i filozofskim pogledima na prirodu, što je neminovno dovelo do kreacionizma.

Prva eksperimentalna potvrda nestacionarnosti Univerzuma dobijena je 1929. godine - Hubble je otkrio crveni pomak u spektrima udaljenih galaksija, koji je, prema Doplerovom efektu, ukazivao na širenje Univerzuma (nisu svi kosmolozi tada dijelili ovo tumačenje vrijeme). Godine 1932-1933 Belgijski teoretičar J. Lemaigre predložio je model Univerzuma sa “vrućim početkom”, takozvanim “Velikim praskom”. Ali još u 1940-im i 1950-im. Predloženi su alternativni modeli (sa rađanjem čestica iz c-polja, iz vakuuma), čuvajući stacionarnu prirodu Univerzuma.

Godine 1964. američki naučnici - astrofizičar A. Penzias i radio astronom K. Wilson otkrili su homogeno izotropno reliktno zračenje, što jasno ukazuje na "vrući početak" Univerzuma. Ovaj model je postao dominantan i prihvaćen od strane većine kosmologa. Međutim, upravo ova tačka “početka”, tačka singularnosti, izazvala je mnoge probleme i sporove kako oko mehanizma “Velikog praska” tako i zbog toga što se ponašanje sistema (Univerzuma) u njegovoj blizini nije moglo opisati unutar okvir poznatih naučnih teorija (beskonačno visoke temperature i gustine su morale biti kombinovane sa beskonačno malim veličinama). U 20. veku Predloženi su mnogi modeli Univerzuma - od onih koji su odbacivali teoriju relativnosti kao osnovu, do onih koji su promijenili neki faktor u osnovnom modelu, na primjer, "ćelijsku strukturu Univerzuma" ili teoriju struna. Dakle, da bi se otklonile kontradikcije povezane sa singularnošću, 1980-1982. Američki astronom P. Steinhart i sovjetski astrofizičar A. Linde predložili su modifikaciju modela svemira koji se širi - model sa fazom inflacije (model "naduvavanja svemira"), u kojem su prvi trenuci nakon "Velikog praska" dobili novo tumačenje . Ovaj model je kasnije nastavio da se usavršava; otklonio je niz značajnih problema i kontradikcija u kosmologiji. Istraživanja ne prestaju danas: hipoteza koju je postavila grupa japanskih naučnika o poreklu primarnih magnetnih polja dobro se slaže sa gore opisanim modelom i omogućava nam da se nadamo da ćemo dobiti nova saznanja o ranim fazama postojanja Univerzum.

Kao predmet proučavanja, Univerzum je previše složen da bi se proučavao deduktivno; metode ekstrapolacije i modeliranja pružaju priliku da se napreduje u njegovom znanju. Međutim, ove metode zahtijevaju striktno pridržavanje svih procedura (od formulacije problema, odabira parametara, stepena sličnosti između modela i originala, do interpretacije dobijenih rezultata), pa čak i ako su svi zahtjevi idealno ispunjeni, rezultati istraživanja će biti fundamentalno vjerovatnoće prirode.

Matematizacija znanja, koja značajno unapređuje heurističke sposobnosti mnogih metoda, opšti je trend u nauci 20. veka. Kosmologija nije bila izuzetak: nastala je vrsta mentalnog modeliranja - matematičko modeliranje, metoda matematičke hipoteze. Njegova suština je da se prvo rješavaju jednačine, a zatim se traži fizička interpretacija rezultirajućih rješenja. Ovaj postupak, koji nije tipičan za nauku prošlosti, ima ogroman heuristički potencijal. Upravo je ova metoda dovela Friedmana do stvaranja modela svemira koji se širi; na taj način je otkriven pozitron i mnoga važnija otkrića u nauci krajem 20. stoljeća.

Računarski modeli, uključujući i one koji se koriste za modeliranje Univerzuma, rođeni su razvojem kompjuterske tehnologije. Na osnovu njih su poboljšani modeli Univerzuma sa inflatornom fazom; početkom 21. veka. obrađene su velike količine informacija dobijenih od svemirske sonde i kreiran je model razvoja Univerzuma, uzimajući u obzir „tamnu materiju“ i „tamnu energiju“.

Tokom vremena, tumačenje mnogih fundamentalnih koncepata se promijenilo.

Fizički vakuum se više ne shvata kao praznina, ne kao etar, već kao složeno stanje sa potencijalnim (virtuelnim) sadržajem materije i energije. Istovremeno je otkriveno da kosmička tijela i polja poznata modernoj nauci čine beznačajan postotak mase Univerzuma, a većina mase sadržana je u „tamnoj materiji“ i „tamnoj energiji“ koje se posredno otkrivaju. . Istraživanja posljednjih godina su pokazala da značajan dio ove energije djeluje na širenje, rastezanje i kidanje Univerzuma, što može dovesti do uočljivog ubrzanja širenja. U tom smislu, scenario za moguću budućnost Univerzuma zahteva reviziju.Kategorija vremena je jedna od kategorija o kojima se u kosmologiji najviše raspravlja. Većina istraživača vremenu pridaje objektivan karakter, ali prema tradiciji koja dolazi od Augustina i I. Kanta, vrijeme i prostor su oblici naše kontemplacije, tj. tumače se subjektivno. Vrijeme se smatra ili kao parametar neovisan od bilo kojih faktora (supstancijalni koncept koji dolazi od Demokrita i koji leži u osnovi klasičnog Newtonovog modela svemira), ili kao parametar povezan s kretanjem materije (odnosni koncept koji dolazi od Aristotela i postaje osnova kvantno-relativističkog modela Univerzuma). Najčešći je dinamički koncept, koji predstavlja vrijeme kao pokretno (govore o protoku vremena), ali je iznesen i suprotan koncept - statički. Vrijeme se u različitim modelima pojavljuje ili ciklično, ili konačno, ili beskonačno i linearno. Suština vremena najčešće se povezuje sa uzročnosti. Razmatraju se problemi kao što su obrazloženje identifikacije sadašnjeg trenutka vremena, njegov smjer, anizotropija, nepovratnost, univerzalnost vremena, tj. Da li vrijeme postoji u svim stanjima Univerzuma i da li je ono uvijek jednodimenzionalno ili može imati drugu dimenziju, pa čak i ne postoji pod određenim uslovima (na primjer, u singularnoj tački). Najmanje razvijeno pitanje je o posebnostima vremena u složenim sistemima: biološkim, mentalnim, društvenim.

Prilikom kreiranja modela Univerzuma neke konstante igraju značajnu ulogu - gravitaciona konstanta, Plankova konstanta, brzina svjetlosti, prosječna gustina materije, broj dimenzija prostor-vremena. Proučavajući ove konstante, neki kosmolozi su došli do zaključka da s drugim vrijednostima ovih konstanti u Univerzumu ne bi postojali složeni oblici materije, a da ne govorimo o životu, a posebno o inteligenciji.

BIBLIOGRAFSKI LIST

Evsyukov V.V. Mitovi o svemiru. Novosibirsk, 1988.

Latypov N.N., Beilin V.A., Vereshkov G.M. Vakum, elementarne čestice i svemir. M., 2001.

Linde A.D. Fizika čestica i inflatorna kosmologija. M., 1990.

Nadtochaev A.S. Filozofija i nauka u antici. M., 1990.

Novikov I.D. Evolucija univerzuma. M., 1990.

Pavlenko A.N. Evropska kosmologija: temelji epistemološkog zaokreta. M., 1997.

Hawking S. Od velikog praska do crnih rupa. M., 1990.

Uvod. Struktura svemira u antici

3Heliocentrični model univerzuma. Kosmološki modeli univerzuma

1Kosmologija

2Stacionarni model svemira

3Nestacionarni model univerzuma

4Savremena proučavanja kosmoloških modela Univerzuma. Nobelova nagrada za otkriće ubrzanog širenja svemira

5Tamna materija

6Tamna energija

Zaključak

Književnost

Uvod

Univerzum u cjelini predmet je posebne astronomske nauke - kosmologije, koja ima drevnu istoriju. Njegovo porijeklo seže u antiku. Kozmologija je dugo bila pod značajnim uticajem religioznog pogleda na svet, budući da nije bila toliko predmet znanja koliko vere.

Od 19. vijeka. Kosmološki problemi nisu stvar vjere, već predmet naučnog saznanja. Oni se rješavaju uz pomoć naučnih koncepata, ideja, teorija, kao i instrumenata i instrumenata koji nam omogućavaju da shvatimo kakva je struktura svemira i kako je nastao. U 20. veku Ostvaren je značajan napredak u naučnom razumijevanju prirode i evolucije Univerzuma u cjelini. Naravno, razumijevanje ovih problema još je daleko od potpunog i, nesumnjivo, budućnost će dovesti do novih velikih revolucija u trenutno prihvaćenim pogledima na sliku svemira. Međutim, važno je napomenuti da je ovdje riječ upravo o nauci, o racionalnom znanju, a ne o vjerovanjima i religijskim uvjerenjima.

Relevantnost ovog rada je, s jedne strane, zbog velikog interesovanja za strukturu Univerzuma u savremenoj nauci, s druge strane, zbog njegovog nedovoljnog razvoja, kao i pažnje za Univerzum u savremenom svetu.

Predmet proučavanja: Univerzum.

Predmet istraživanja: modeli strukture Univerzuma.

Svrha rada: razmotriti savremene kosmološke modele Univerzuma.

Za postizanje ovog cilja potrebno je riješiti sljedeće zadatke:

)Analizirati literaturu o predmetu opšte fizike i astronomije, u vezi sa izborom predmeta studija.

)Pratite istoriju kosmoloških istraživanja.

)Razmotrite moderne kosmološke modele.

)Odaberite ilustrativni materijal.

Nastavni rad se sastoji od uvoda, tri poglavlja, zaključka i bibliografije. Poglavlje 1 posvećeno je istoriji strukture Univerzuma, Poglavlje 2 ispituje kosmološke modele Univerzuma, Poglavlje 3 otvara savremena proučavanja kosmoloških modela i u zaključku sumira obavljeni rad.

Poglavlje 1. Struktura svemira u antici

.1 Pirocentrični model univerzuma

Put do razumijevanja položaja naše planete i čovječanstva koji na njoj živi u Univerzumu bio je vrlo težak, a ponekad i vrlo dramatičan. U davna vremena, bilo je prirodno vjerovati da je Zemlja nepomična, ravna i u središtu svijeta. Činilo se da je cijeli svijet stvoren radi čovjeka. Takve ideje nazivaju se antropocentrizmom (od grčkog anthropos - čovjek). Mnoge ideje i misli koje su se kasnije odrazile u modernim naučnim idejama o prirodi, posebno u astronomiji, nastale su u staroj Grčkoj, nekoliko vekova pre naše ere. Teško je nabrojati imena svih mislilaca i njihova briljantna nagađanja. Izvanredni matematičar Pitagora (6. vek pre nove ere) bio je uveren da „broj vlada svetom“. Vjeruje se da je Pitagora prvi iznio ideju da Zemlja, kao i sva druga nebeska tijela, ima sferni oblik i da se nalazi u svemiru bez ikakvog oslonca. Pitagorejci su predložili pirocentrični model svemira, u kojem se zvijezde, Sunce, Mjesec i šest planeta okreću oko Centralne vatre (Hestije). Da bi se napravio sveti broj - deset - ukupno sfera, šesta planeta je proglašena za Kontra-Zemlju (Antichthon). I Sunce i Mjesec, prema ovoj teoriji, sijali su reflektiranom svjetlošću Hestije. Ovo je bio prvi matematički sistem svijeta - ostali drevni kosmogonisti su radili više s maštom nego logikom. Udaljenosti između sfera svjetiljki kod Pitagorejaca odgovarale su muzičkim intervalima u ljestvici; kada se rotiraju, zvuči „muzika sfera“, nama nečujna. Pitagorejci su vjerovali da je Zemlja sferna i da se rotira, zbog čega dolazi do promjene dana i noći. Pitagorejci su prvi nastali koncept etra. Ovo je najviši, čisti i prozirni sloj zraka, mjesto boravka bogova.

1.2 Geocentrični model univerzuma

Drugi jednako poznati antički naučnik, Demokrit - osnivač koncepta atoma, koji je živio 400 godina prije nove ere - vjerovao je da je Sunce mnogo puta veće od Zemlje, da sam Mjesec ne sija, već samo reflektuje sunčevu svjetlost, a Mliječni put se sastoji od ogromnog broja zvijezda. Sumirajte sva saznanja koja su akumulirana do 4. vijeka. BC e., mogao je istaknuti filozof antičkog svijeta Aristotel (384-322 pne).

Rice. 1. Geocentrični sistem svijeta Aristotela-Ptolomeja.

Njegove aktivnosti pokrivale su sve prirodne nauke – informacije o nebu i Zemlji, o obrascima kretanja tela, o životinjama i biljkama, itd. Aristotelova glavna zasluga kao naučnika enciklopediste bila je stvaranje jedinstvenog sistema naučnog znanja. Gotovo dvije hiljade godina njegovo mišljenje o mnogim pitanjima nije dovodilo u pitanje. Prema Aristotelu, sve teško teži centru Univerzuma, gdje se akumulira i formira sfernu masu - Zemlju. Planete su postavljene na posebne sfere koje se okreću oko Zemlje. Takav sistem svijeta nazvan je geocentrični (od grčkog naziva za Zemlju - Gaia). Aristotel nije slučajno predložio da se Zemlja smatra nepokretnim centrom svijeta. Kada bi se Zemlja kretala, onda bi, prema Aristotelovom poštenom mišljenju, bila primjetna redovita promjena relativnih položaja zvijezda na nebeskoj sferi. Ali niko od astronoma nije primetio ništa slično ovome. Tek početkom 19. vijeka. Konačno je otkriveno i izmjereno pomicanje zvijezda (paralaksa) koje je rezultat kretanja Zemlje oko Sunca. Mnoge Aristotelove generalizacije bile su zasnovane na zaključcima koji se tada nisu mogli potvrditi iskustvom. Stoga je tvrdio da se kretanje tijela ne može dogoditi ako na njega ne djeluje sila. Kao što znate iz vašeg kursa fizike, ove ideje su opovrgnute tek u 17. veku. u doba Galileja i Njutna.

1.3 Heliocentrični model univerzuma

Među drevnim naučnicima, Aristarh sa Samosa, koji je živeo u 3. veku, ističe se po smelosti svojih nagađanja. BC e. On je prvi odredio udaljenost do Mjeseca i izračunao veličinu Sunca, koje se, prema njegovim podacima, pokazalo da je po zapremini više od 300 puta veće od Zemlje. Vjerovatno su ovi podaci postali jedna od osnova za zaključak da se Zemlja, zajedno sa drugim planetama, kreće oko ovog najvećeg tijela. Danas su Aristarha sa Samosa zvali „Kopernik antičkog sveta“. Ovaj naučnik je uveo nešto novo u proučavanje zvezda. Vjerovao je da su oni nemjerljivo dalje od Zemlje od Sunca. Za to doba, ovo otkriće je bilo veoma važno: iz udobnog malog doma, Univerzum se pretvarao u ogroman džinovski svijet. U ovom svijetu, Zemlja sa svojim planinama i ravnicama, sa šumama i poljima, s morima i okeanima postala je sićušna zrnca prašine, izgubljena u grandioznom praznom prostoru. Nažalost, radovi ovog izuzetnog naučnika praktički nisu stigli do nas, a više od hiljadu i po godina čovječanstvo je bilo sigurno da je Zemlja nepokretni centar svijeta. Tome je u velikoj mjeri doprinio matematički opis vidljivog kretanja svjetiljki, koji je za geocentrični sistem svijeta razvio jedan od istaknutih antičkih matematičara - Klaudije Ptolomej u 2. vijeku. AD Najteži zadatak bio je objasniti kretanje planeta u obliku petlje.

Ptolomej je u svom poznatom djelu "Matematički traktat o astronomiji" (poznatiji kao "Almagest") tvrdio da se svaka planeta ravnomjerno kreće duž epicikla - malog kruga, čiji se centar kreće oko Zemlje duž deferenta - velikog kruga. Tako je mogao objasniti posebnu prirodu kretanja planeta, koja ih je razlikovala od Sunca i Mjeseca. Ptolomejev sistem je dao čisto kinematski opis kretanja planeta - nauka tog vremena nije mogla ponuditi ništa drugo. Već ste vidjeli da korištenje modela nebeske sfere za opisivanje kretanja Sunca, Mjeseca i zvijezda omogućava vam da izvršite mnoge proračune korisne u praktične svrhe, iako u stvarnosti takva sfera ne postoji. Isto važi i za epicikle i deferente, na osnovu kojih se sa određenim stepenom tačnosti mogu izračunati položaji planeta.

Rice. 2. Kretanje Zemlje i Marsa.

Međutim, s vremenom su se zahtjevi za preciznošću ovih proračuna stalno povećavali, pa je za svaku planetu trebalo dodavati sve više novih epicikla. Sve je to zakomplikovalo Ptolomejev sistem, čineći ga nepotrebno glomaznim i nezgodnim za praktične proračune. Ipak, geocentrični sistem je ostao nepokolebljiv oko 1000 godina. Uostalom, nakon procvata antičke kulture u Evropi, započeo je dug period tokom kojeg nije napravljeno nijedno značajno otkriće u astronomiji i mnogim drugim naukama. Tek u doba renesanse počinje uspon u razvoju znanosti, u kojem je astronomija postala jedna od vodećih. Godine 1543. objavljena je knjiga istaknutog poljskog naučnika Nikolaja Kopernika (1473-1543) u kojoj je obrazložio novo - heliocentrični - sistem svijeta. Kopernik je pokazao da se dnevno kretanje svih zvijezda može objasniti rotacijom Zemlje oko svoje ose, a petljasto kretanje planeta činjenicom da se sve one, uključujući i Zemlju, okreću oko Sunca.

Na slici je prikazano kretanje Zemlje i Marsa u periodu kada, kako nam se čini, planeta opisuje petlju na nebu. Stvaranje heliocentričnog sistema označilo je novu etapu u razvoju ne samo astronomije, već i čitave prirodne nauke. Posebno važnu ulogu odigrala je Kopernikova ideja da iza vidljive slike pojava, koja nam se čini istinita, moramo tražiti i pronaći suštinu ovih pojava, nedostupnu direktnom posmatranju. Heliocentrični sistem svijeta, potkrijepljen, ali ne i dokazan od strane Kopernika, potvrđen je i razvijen u djelima tako istaknutih naučnika kao što su Galileo Galilei i Johannes Kepler.

Galileo (1564-1642), jedan od prvih koji je uperio teleskop u nebo, protumačio je otkrića kao dokaz u korist Kopernikanske teorije. Otkrivši promjenu faza Venere, došao je do zaključka da se takav slijed može uočiti samo ako se okreće oko Sunca.

Rice. 3. Heliocentrični sistem svijeta.

Četiri satelita planete Jupiter koje je otkrio također su opovrgla ideju da je Zemlja jedini centar na svijetu oko kojeg druga tijela mogu rotirati. Galileo nije samo vidio planine na Mjesecu, već je čak i izmjerio njihovu visinu. Zajedno sa nekoliko drugih naučnika, on je takođe posmatrao sunčeve pjege i uočio njihovo kretanje preko solarnog diska. Na osnovu toga je zaključio da se Sunce rotira i da, prema tome, ima onu vrstu kretanja koju je Kopernik pripisao našoj planeti. Dakle, došlo se do zaključka da Sunce i Mjesec imaju određenu sličnost sa Zemljom. Konačno, posmatrajući mnoge slabe zvijezde unutar i izvan Mliječnog puta, nedostupne golim okom, Galileo je zaključio da su udaljenosti do zvijezda različite i da ne postoji „sfera fiksnih zvijezda“. Sva ova otkrića postala su nova faza u razumijevanju položaja Zemlje u svemiru.

Poglavlje 2. Kosmološki modeli Univerzuma

.1 Kosmologija

U prijevodu s grčkog, kosmologija znači “opis svjetskog poretka”. Ovo je naučna disciplina osmišljena da pronađe najopštije zakone kretanja Materije i izgradi razumijevanje Univerzuma kao harmonične cjeline. U idealnom slučaju, u njemu ne bi trebalo biti mjesta za slučajnost (u kosmološkoj teoriji), ali bi se sve pojave koje se promatraju u Kosmosu trebale pojaviti kao manifestacije općih zakona kretanja Materije. Dakle, kosmologija je ključ za razumijevanje svega što se događa i u makrokosmosu iu mikrokosmosu.

Kosmologija je grana astronomije i astrofizike koja proučava porijeklo, strukturu velikih razmjera i evoluciju Univerzuma. Podaci za kosmologiju se uglavnom dobijaju iz astronomskih posmatranja. Za njihovo tumačenje trenutno se koristi opšta teorija relativnosti A. Einsteina (1915). Stvaranje ove teorije i provođenje odgovarajućih zapažanja omogućili su početkom 1920-ih da se kosmologija svrsta među egzaktne nauke, dok je prije toga bila prije polje filozofije. Sada su se pojavile dvije kosmološke škole: empiristi se ograničavaju na interpretaciju opservacijskih podataka, bez ekstrapolacije svojih modela u neistražena područja; teoretičari pokušavaju da objasne vidljivi svemir koristeći neke hipoteze odabrane zbog jednostavnosti i elegancije. Danas je nadaleko poznat kosmološki model Velikog praska, prema kojem je širenje Univerzuma počelo prije nekog vremena iz vrlo gustog i vrućeg stanja; Takođe se govori o stacionarnom modelu Univerzuma u kojem on postoji zauvek i nema ni početak ni kraj.

2.2 Stacionarni model univerzuma

Početak nove teorije o poreklu svemira položen je objavljivanjem djela Alberta Ajnštajna „Osnove opšte teorije relativnosti“ 1916.

Ovaj rad je osnova relativističke teorije gravitacije, koja je, zauzvrat, osnova moderne kosmologije. Opća teorija relativnosti primjenjuje se na sve referentne sisteme (a ne samo na one koji se kreću konstantnom brzinom jedni u odnosu na druge) i izgleda matematički mnogo složenije od one posebne (što objašnjava jedanaestogodišnji razmak između njihovog objavljivanja). Uključuje kao poseban slučaj specijalnu teoriju relativnosti (a samim tim i Newtonove zakone). Istovremeno, opća teorija relativnosti ide mnogo dalje od svih svojih prethodnika. Konkretno, daje novo tumačenje gravitacije. Opšta teorija relativnosti čini svijet četverodimenzionalnim: vrijeme se dodaje na tri prostorne dimenzije. Sve četiri dimenzije su neodvojive, pa više ne govorimo o prostornoj udaljenosti između dva objekta, kao što je to slučaj u trodimenzionalnom svijetu, već o prostorno-vremenskim intervalima između događaja, koji kombinuju njihovu udaljenost jedan od drugog - oba u vremenu i prostoru. To jest, prostor i vrijeme se smatraju četverodimenzionalnim prostor-vremenskim kontinuumom ili, jednostavno, prostor-vrijeme. Već 1917. sam Ajnštajn je predložio model prostora, izveden iz njegovih jednačina polja, danas poznat kao Ajnštajnov model univerzuma. U svojoj osnovi, to je bio stacionarni model. Kako ne bi bio u sukobu sa statičnošću, Einstein je modificirao svoju teoriju uvodeći takozvanu kosmološku konstantu u jednačine. On je uveo novu „antigravitaciju“ silu, koju, za razliku od drugih sila, nije proizveo nijedan izvor, već je ugrađena u samu strukturu prostor-vremena. Ajnštajn je tvrdio da se samo prostor-vreme uvek širi i da ovo širenje tačno balansira privlačnost sve druge materije u Univerzumu, tako da kao rezultat Univerzum ispada statičan.

Uzimajući u obzir kosmološku konstantu, Einsteinove jednadžbe imaju oblik:

Gdje ? - kosmološka konstanta, g ab - metrički tenzor, R ab - Ricci tenzor, R - skalarna krivina, T ab - tenzor energije i impulsa, c - brzina svjetlosti, G - Njutnova gravitaciona konstanta.

„Svemir, kako ga opisuje Ajnštajnova teorija relativnosti, je poput mehura od sapunice koji se naduvava. Ona nije njegova nutrina, već film. Površina balona je dvodimenzionalna, ali mehur univerzuma ima četiri dimenzije: tri prostorne i jednu vremensku”, napisao je nekada istaknuti engleski fizičar Džejms Džins. Ovaj moderni naučnik (umro je 1946.) kao da je oživeo staru ideju ​Platonovih i Pitagorinih sledbenika da je sve okolo čista matematika, a bog koji je stvorio ovaj matematički univerzum bio je i sam veliki matematičar.

Ali Ajnštajn je bio i veliki matematičar. Njegove formule nam omogućavaju da izračunamo radijus ovog Univerzuma. Kako njegova zakrivljenost zavisi od mase tijela koja ga sačinjavaju, potrebno je znati prosječnu gustinu materije. Astronomi su proveli godine proučavajući iste male delove neba i mukotrpno prebrojavajući količinu materije u njima. Ispostavilo se da je gustina otprilike 10 -30 g/cm 3 . Ako ovu cifru zamijenimo Einsteinovim formulama, tada, prvo, dobivamo pozitivnu vrijednost za zakrivljenost, odnosno naš Univerzum je zatvoren! - i, drugo, njegov radijus je 35 milijardi svetlosnih godina. To znači da iako je Univerzum konačan, on je ogroman - zrak svjetlosti, koji juri duž Velikog kosmičkog kruga, vratit će se u istu tačku nakon 200 milijardi zemaljskih godina!

Ovo nije jedini paradoks Ajnštajnovog univerzuma. Ona nije samo konačna, već i neograničena, ona je i nestalna. Albert Ajnštajn je svoju teoriju formulisao u obliku deset veoma složenih, takozvanih nelinearnih diferencijalnih jednačina. Međutim, nisu ih svi naučnici tretirali kao deset zapovesti, dozvoljavajući samo jedno tumačenje. To nije iznenađujuće - uostalom, moderna matematika ne može precizno riješiti takve jednadžbe, a može postojati mnoga približna rješenja.

2.3 Nestacionarni model Univerzuma

Prve fundamentalno nove revolucionarne kosmološke posledice opšte teorije relativnosti otkrio je istaknuti sovjetski matematičar i teorijski fizičar Aleksandar Aleksandrovič Fridman (1888-1925).

Fundamentalne jednačine opšte relativnosti su Ajnštajnove „svjetske jednačine“, koje opisuju geometrijska svojstva, ili metriku, četverodimenzionalnog zakrivljenog prostor-vremena.

Njihovo rješavanje omogućava, u principu, da se izgradi matematički model Univerzuma. Prvi takav pokušaj napravio je sam Ajnštajn. Smatrajući radijus zakrivljenosti prostora konstantnim (tj. na osnovu pretpostavke da je Univerzum u cjelini stacionaran, što se činilo najrazumnijim), došao je do zaključka da Univerzum treba da bude prostorno konačan i da ima oblik četvorodimenzionalni cilindar. Godine 1922-1924. Friedman je kritizirao Ajnštajnove zaključke. Pokazao je neosnovanost svog početnog postulata - o stacionarnosti, nepromjenjivosti u vremenu Univerzuma. Analizirajući svjetske jednačine, Friedman je došao do zaključka da njihovo rješenje ni pod kojim okolnostima ne može biti jednoznačno i ne može odgovoriti na pitanje o obliku Univerzuma, njegovoj konačnosti ili beskonačnosti.

Na osnovu suprotnog postulata - o mogućoj promjeni polumjera zakrivljenosti svjetskog prostora u vremenu, Friedman je pronašao nestacionarna rješenja "svjetskih jednačina". Kao primjer takvih rješenja konstruirao je tri moguća modela Univerzuma. U dva od njih, polumjer zakrivljenosti prostora se monotono povećava, a Univerzum se širi (u jednom modelu - od tačke, u drugom - počevši od određenog konačnog volumena). Treći model je naslikao sliku pulsirajućeg Univerzuma s periodično promjenjivim polumjerom zakrivljenosti.

Friedmanov model se zasniva na ideji izotropnog, homogenog i nestacionarnog stanja Univerzuma:

Ø Izotropija ukazuje da u Univerzumu ne postoje različite točke usmjerenja, odnosno da njegova svojstva ne zavise od smjera.

Ø Homogenost Univerzuma karakteriše distribuciju materije u njemu. Ova uniformna distribucija materije može se opravdati prebrojavanjem broja galaksija do date prividne veličine. Prema zapažanjima, gustina materije u delu prostora koji vidimo je u proseku ista.

Ø Nestacionarnost znači da Univerzum ne može biti u statičkom, nepromjenljivom stanju, već se mora ili širiti ili skupljati

U modernoj kosmologiji ove tri tvrdnje nazivaju se kosmološkim postulatima. Kombinacija ovih postulata je osnovni kosmološki princip. Kosmološki princip direktno sledi iz postulata opšte teorije relativnosti. A. Fridman je, na osnovu postulata koje je izneo, stvorio model strukture Univerzuma u kojem se sve galaksije udaljuju jedna od druge. Ovaj model je sličan gumenoj lopti koja se ravnomjerno napuhava, čije se sve točke udaljavaju jedna od druge. Rastojanje između bilo koje dvije točke se povećava, ali nijedna od njih se ne može nazvati centrom širenja. Štaviše, što je veća udaljenost između tačaka, to se brže udaljuju jedna od druge. Sam Friedman je razmatrao samo jedan model strukture Univerzuma, u kojem se prostor mijenja prema paraboličkom zakonu. Odnosno, u početku će se polako širiti, a zatim će se, pod utjecajem gravitacijskih sila, širenje zamijeniti kompresijom do prvobitne veličine. Njegovi sljedbenici su pokazali da postoje najmanje tri modela za koja su sva tri kosmološka postulata zadovoljena. Parabolički model A. Friedmana je jedna od mogućih opcija. Nešto drugačije rješenje problema pronašao je holandski astronom W. de Sitter. Prostor Univerzuma u njegovom modelu je hiperboličan, odnosno širenje Univerzuma se dešava sa povećanjem ubrzanja. Brzina širenja je toliko visoka da gravitacijski utjecaj ne može ometati ovaj proces. On je zapravo predvidio širenje Univerzuma. Treću opciju za ponašanje Univerzuma izračunao je belgijski sveštenik J. Lemaitre. U njegovom modelu, Univerzum će se širiti do beskonačnosti, ali će se brzina širenja stalno smanjivati ​​- ova ovisnost je logaritamska. U ovom slučaju, brzina ekspanzije je dovoljna da se izbjegne kontrakcija na nulu. U prvom modelu prostor je zakrivljen i zatvoren sam u sebe. To je sfera, pa su njene dimenzije konačne. U drugom modelu prostor je drugačije zakrivljen, u obliku hiperboličnog paraboloida (ili sedla), prostor je beskonačan. U trećem modelu sa kritičnom stopom širenja, prostor je ravan, a samim tim i beskonačan.

U početku su ove hipoteze percipirane kao incident, uključujući i A. Einsteina. Međutim, već 1926. godine dogodio se epohalni događaj u kosmologiji, koji je potvrdio ispravnost proračuna Friedmanna - De Sittera - Lemaitrea. Takav događaj, koji je utjecao na konstrukciju svih postojećih modela svemira, djelo je američkog astronoma Edwina P. Hubblea. 1929. godine, dok je vršio opservacije najvećim teleskopom u to vrijeme, otkrio je da je svjetlost koja dolazi na Zemlju iz udaljenih galaksija pomjerena prema dugovalnom dijelu spektra. Ovaj fenomen, nazvan “Efekat crvenog pomaka”, zasniva se na principu koji je otkrio poznati fizičar K. Dopler. Doplerov efekat kaže da se u spektru izvora zračenja koji se približava posmatraču, spektralne linije pomeraju na kratkotalasnu (ljubičastu) stranu, dok se u spektru izvora koji se udaljava od posmatrača, spektralne linije pomeraju na crvena (dugotalasna) strana.

Efekat crvenog pomaka ukazuje da se galaksije udaljavaju od posmatrača. Sa izuzetkom čuvene magline Andromeda i nekoliko nama najbližih zvezdanih sistema, sve ostale galaksije se udaljavaju od nas. Štaviše, pokazalo se da brzina širenja galaksija nije ista u različitim dijelovima Univerzuma. Što su dalje locirani, brže se udaljavaju od nas. Drugim riječima, ispostavilo se da je vrijednost crvenog pomaka proporcionalna udaljenosti do izvora zračenja - to je striktna formulacija otvorenog Hubble zakona. Prirodni odnos između brzine uklanjanja galaksija i udaljenosti do njih opisan je pomoću Hubble konstante (N, km/sec na 1 megaparsec udaljenosti).

V = Hr ,

gdje je V brzina uklanjanja galaksija, H je Hubble konstanta, r je udaljenost između njih.

Vrijednost ove konstante još uvijek nije definitivno utvrđena. Razni naučnici ga definiraju u rasponu od 80 ± 17 km/sec za svaki megaparsec udaljenosti. Fenomen crvenog pomaka objašnjen je u fenomenu “recesije galaksije”. S tim u vezi, u prvi plan dolaze problemi proučavanja širenja Univerzuma i određivanja njegove starosti na osnovu trajanja ovog širenja.

Većina modernih kosmologa ovu ekspanziju shvata kao širenje čitavog zamislivog i postojećeg Univerzuma... Nažalost, njegova rana smrt nije dozvolila briljantnom teoretičaru Univerzuma A. A. Friedmanu, čije ideje vode misao kosmologa više od pola veka , da učestvuje u daljem revolucionarnom razvoju procesa i sam ažurira kosmološku sliku sveta. Iskustvo istorije razvoja znanja o svetu, međutim, sugeriše da je savremena relativistička kosmološka slika sveta, koja je rezultat ekstrapolacije znanja o ograničenom delu Univerzuma na celokupnu zamislivu „celinu“, neizbežno netačno. Stoga se može misliti da on prije odražava svojstva ograničenog dijela Univerzuma (koji se može nazvati Metagalaksija), i, možda, samo jednu od faza njegovog razvoja (što relativistička kosmologija dozvoljava i koja može postati jasnija s pojašnjenje prosječne gustine materije u Metagalaksiji). U ovom trenutku, međutim, u ovom trenutku slika svijeta ostaje neizvjesna.

Poglavlje 3. Savremena istraživanja kosmoloških modela Univerzuma

.1 Nobelova nagrada za otkriće ubrzanog širenja svemira

Savremena kosmologija je složen, integrisan i brzo razvijajući sistem prirodno-naučnog (astronomija, fizika, hemija, itd.) i filozofskog znanja o Univerzumu kao celini, zasnovan na podacima posmatranja i teorijskim zaključcima koji se odnose na deo svemira koji je obuhvaćen. astronomskim posmatranjima.

Nedavno je u polju moderne kosmologije došlo do otkrića koje bi u budućnosti moglo promijeniti naše ideje o nastanku i evoluciji našeg svemira. Naučnici koji su dali ogroman doprinos razvoju ovog otkrića dobili su Nobelovu nagradu za svoj rad.

Nobelovu nagradu dobili su Amerikanac Saul Perlmutter, Australac Brian Schmidt i Amerikanac Adam Rees za otkriće ubrzanog širenja svemira.

1998. godine naučnici su otkrili da se Univerzum širi ubrzano. Do otkrića je došlo proučavanjem supernove tipa Ia. Supernove su zvijezde koje s vremena na vrijeme sjajno bljesnu na nebu, a zatim prilično brzo potamne. Zbog svojih jedinstvenih svojstava, ove zvijezde se koriste kao markeri za određivanje kako se kosmološke udaljenosti mijenjaju tokom vremena. Supernova je trenutak u životu masivne zvijezde kada doživi katastrofalnu eksploziju. Supernove dolaze u različitim tipovima ovisno o specifičnim okolnostima koje su prethodile kataklizmi. Tokom posmatranja, vrsta baklje je određena spektrom i oblikom svetlosne krive. Supernove, označene kao Ia, nastaju u termonuklearnoj eksploziji bijelog patuljka čija je masa premašila prag od ~1,4 solarne mase, nazvan Chandrasekhar granica. Sve dok je masa belog patuljka ispod granične vrednosti, gravitaciona sila zvezde je uravnotežena pritiskom degenerisanog elektronskog gasa. Ali ako u bliskom binarnom sistemu materija teče na njega iz susjedne zvijezde, tada se u određenom trenutku ispostavi da je pritisak elektrona nedovoljan i zvijezda eksplodira, a astronomi bilježe još jednu eksploziju supernove tipa Ia. Budući da su granična masa i razlog zbog kojeg bijeli patuljak eksplodira uvijek isti, takve supernove pri maksimalnom sjaju trebale bi imati isti, i to vrlo visok, sjaj i mogu poslužiti kao “standardna svijeća” za određivanje međugalaktičkih udaljenosti. Ako prikupimo podatke o mnogim takvim supernovama i uporedimo udaljenosti do njih sa crvenim pomacima galaksija u kojima su se dogodile eksplozije, možemo utvrditi kako se brzina širenja Univerzuma mijenjala u prošlosti i odabrati odgovarajući kosmološki model.

Proučavajući udaljene supernove, naučnici su otkrili da su one najmanje za četvrtinu tamnije nego što teorija predviđa - što znači da su zvijezde predaleko. Tako su izračunali parametre širenja Univerzuma, naučnici su ustanovili da se ovaj proces ubrzava.

3.2 Tamna materija

Tamna materija je slična običnoj materiji u smislu da se može skupljati (veličine, recimo, galaksije ili skupa galaksija) i učestvuje u gravitacionim interakcijama na isti način kao i obična materija. Najvjerovatnije se sastoji od novih čestica koje još nisu otkrivene u zemaljskim uvjetima.

Pored kosmoloških podataka, mjerenja gravitacionog polja u jatu galaksija iu galaksijama potvrđuju postojanje tamne materije. Postoji nekoliko načina za mjerenje gravitacijskog polja u jatama galaksija, od kojih je jedan gravitacijsko sočivo, ilustrovan na Sl. 4.

Rice. 4. Gravitaciono sočivo.

Gravitaciono polje jata savija zrake svetlosti koje emituje galaksija koja se nalazi iza jata, odnosno gravitaciono polje deluje kao sočivo. U ovom slučaju, ponekad se pojavljuje nekoliko slika ove daleke galaksije; na lijevoj polovini sl. 7 su plave. Savijanje svjetlosti ovisi o raspodjeli mase u klasteru, bez obzira na to koje čestice stvaraju tu masu. Ovako obnovljena raspodjela mase prikazana je na desnoj polovini Sl. 7 u plavoj boji; jasno je da se veoma razlikuje od raspodele svetleće supstance. Mase galaktičkih jata izmjerene na ovaj način su u skladu s činjenicom da tamna materija doprinosi oko 25% ukupne gustine energije u Univerzumu. Podsjetimo da se isti taj broj dobija poređenjem teorije formiranja struktura (galaksija, klastera) sa zapažanjima.

Tamna materija takođe postoji u galaksijama. Ovo opet slijedi iz mjerenja gravitacionog polja, sada u galaksijama i njihovoj okolini. Što je gravitacijsko polje jače, to se zvijezde i oblaci plina brže rotiraju oko galaksije, pa mjerenje brzina rotacije u zavisnosti od udaljenosti do centra galaksije omogućava rekonstrukciju raspodjele mase u njoj.

Šta su čestice tamne materije? Jasno je da ove čestice ne bi trebale da se raspadnu na druge, lakše čestice, inače bi se raspale tokom postojanja Univerzuma. Sama ta činjenica ukazuje na to da u prirodi djeluje novi, još neotkriveni zakon očuvanja koji zabranjuje raspad ovih čestica. Ovdje je analogija sa zakonom održanja električnog naboja: elektron je najlakša čestica s električnim nabojem i zato se ne raspada na lakše čestice (na primjer, neutrine i fotone). Nadalje, čestice tamne materije izuzetno slabo djeluju s našom materijom, inače bi već bile otkrivene u zemaljskim eksperimentima. Tada počinje područje hipoteza. Čini se da je najvjerovatnija (ali daleko od jedine!) hipoteza da su čestice tamne materije 100-1000 puta teže od protona i da je njihova interakcija sa običnom materijom uporediva po intenzitetu sa interakcijom neutrina. U okviru ove hipoteze moderna gustoća tamne materije nalazi jednostavno objašnjenje: čestice tamne materije su se intenzivno rađale i uništavale u vrlo ranom svemiru na ultravisokim temperaturama (oko 1015 stepeni), a neke od njih su preživjele. do ovog dana. Uz naznačene parametre ovih čestica, njihov trenutni broj u Univerzumu ispada upravo onoliko koliko je potrebno.

Možemo li očekivati ​​otkriće čestica tamne materije u bliskoj budućnosti u zemaljskim uslovima? Budući da danas ne znamo prirodu ovih čestica, nemoguće je odgovoriti na ovo pitanje potpuno nedvosmisleno. Međutim, izgledi su vrlo optimistični.

Postoji nekoliko načina za traženje čestica tamne materije. Jedan od njih je povezan s eksperimentima na budućim visokoenergetskim akceleratorima - sudaračima. Ako su čestice tamne materije zaista 100-1000 puta teže od protona, onda će se roditi u sudarima običnih čestica ubrzanih na sudaračima do visokih energija (energije postignute na postojećim sudaračima nisu dovoljne za to). Neposredne perspektive ovdje su povezane s Velikim hadronskim sudaračem (LHC), koji se gradi u međunarodnom centru CERN u blizini Ženeve, koji će proizvoditi sudarajuće snopove protona energije 7x7 teraelektronvolta. Mora se reći da su, prema danas popularnim hipotezama, čestice tamne materije samo jedan predstavnik nove porodice elementarnih čestica, tako da se uz otkriće čestica tamne materije može nadati otkriću čitave klase novih čestice i nove interakcije na akceleratorima. Kosmologija sugerira da je svijet elementarnih čestica daleko od toga da je iscrpljen danas poznatim "građevnim blokovima"!

Drugi način je da otkrijemo čestice tamne materije koje lete oko nas. Nikako ih nije mali broj: sa masom koja je 1000 puta veća od mase protona, trebalo bi da bude 1000 ovih čestica ovde i sada po kubnom metru. Problem je u tome što one izuzetno slabo djeluju s običnim česticama; supstanca je za njih prozirna. Međutim, čestice tamne materije se povremeno sudaraju s atomskim jezgrama, i nadamo se da se ovi sudari mogu otkriti. Potraga u ovom pravcu vrši se pomoću brojnih visokoosjetljivih detektora smještenih duboko pod zemljom, gdje je pozadina kosmičkih zraka naglo smanjena.

Konačno, još jedan način je povezan sa snimanjem proizvoda anihilacije čestica tamne materije među sobom. Ove čestice treba da se akumuliraju u centru Zemlje iu centru Sunca (materija je za njih skoro providna i mogu da padnu u Zemlju ili Sunce). Tamo se međusobno poništavaju, a u tom procesu nastaju druge čestice, uključujući neutrine. Ovi neutrini slobodno prolaze kroz debljinu Zemlje ili Sunca, a mogu se snimiti posebnim instalacijama - neutrinskim teleskopima. Jedan od ovih neutrino teleskopa nalazi se u dubinama Bajkalskog jezera, drugi (AMANDA) se nalazi duboko u ledu na Južnom polu. Postoje i drugi pristupi traženju čestica tamne materije, na primjer, traženje proizvoda njihovog uništenja u središnjem dijelu naše Galaksije. Vrijeme će pokazati koji će od svih ovih puteva prvi dovesti do uspjeha, ali u svakom slučaju, otkriće ovih novih čestica i proučavanje njihovih svojstava bit će najvažnije naučno dostignuće. Ove čestice će nam reći o svojstvima Univerzuma 10-9 s (milijarditi dio sekunde!) nakon Velikog praska, kada je temperatura Univerzuma bila 1015 stepeni, a čestice tamne materije intenzivno su interagirale sa kosmičkom plazmom.

3.3 Tamna energija

Tamna energija je mnogo čudnija supstanca od tamne materije. Za početak, ne skuplja se u grudvice, već je ravnomjerno „rasprostranjen“ po Univerzumu. Ima ga u galaksijama i jatama galaksija koliko i izvan njih. Najneobičnije je da tamna energija, u određenom smislu, doživljava antigravitaciju. Već smo rekli da moderne astronomske metode ne mogu samo izmjeriti trenutnu brzinu širenja Univerzuma, već i odrediti kako se ona mijenjala tokom vremena. Dakle, astronomska zapažanja pokazuju da se danas (i u nedavnoj prošlosti) Univerzum širi ubrzano: brzina širenja raste s vremenom. U tom smislu možemo govoriti o antigravitaciji: obično gravitaciono privlačenje bi usporilo povlačenje galaksija, ali u našem Univerzumu ispada da je suprotno.

heliocentrični svemir kosmološka gravitacija

Rice. 5. Ilustracija tamne energije.

Ova slika, općenito govoreći, nije u suprotnosti s općom teorijom relativnosti, ali za to tamna energija mora imati posebno svojstvo - negativni pritisak. To ga oštro razlikuje od običnih oblika materije. Nije pretjerano reći da je priroda tamne energije glavna misterija fundamentalne fizike 21. stoljeća.

Jedan od kandidata za ulogu tamne energije je vakuum. Gustoća energije vakuuma se ne mijenja kako se Univerzum širi, a to znači negativan pritisak vakuuma. Drugi kandidat je novo super-slabo polje koje prožima cijeli Univerzum; za to se koristi izraz "kvintesencija". Ima i drugih kandidata, ali u svakom slučaju, tamna energija je nešto sasvim neobično.

Drugi način da se objasni ubrzano širenje Univerzuma je pretpostaviti da se sami zakoni gravitacije mijenjaju na kosmološkim udaljenostima i kosmološkim vremenima. Ova hipoteza je daleko od bezazlene: pokušaji generalizacije opšte teorije relativnosti u ovom pravcu suočavaju se sa ozbiljnim poteškoćama. Očigledno, ako je takva generalizacija uopće moguća, ona će biti povezana s idejom o postojanju dodatnih dimenzija prostora, pored tri dimenzije koje opažamo u svakodnevnom iskustvu.

Nažalost, trenutno ne postoje vidljivi načini za direktno eksperimentalno proučavanje tamne energije u zemaljskim uslovima. To, naravno, ne znači da se nove briljantne ideje u ovom smjeru ne mogu pojaviti u budućnosti, ali danas se nada u razjašnjenje prirode tamne energije (ili, šire, razloga ubrzanog širenja Univerzuma) povezuje isključivo sa astronomskim posmatranjima i sa dobijanjem novih, tačnijih kosmoloških podataka. Moramo detaljno naučiti kako se Univerzum širio u relativno kasnoj fazi svoje evolucije, a to će nam, nadamo se, omogućiti da napravimo izbor između različitih hipoteza.

Zaključak

U ovom kursu sam ispitivao kosmološke modele Univerzuma. Analizirajući literaturu iz predmeta opšte fizike i astronomije, pratio sam istoriju kosmoloških istraživanja, ispitivao savremene kosmološke modele Univerzuma i odabrao ilustrativni materijal za temu istraživanja. Dok sam dokazao relevantnost odabrane teme, sumirao sam obavljeni rad.

Književnost

1.Berry A. Kratka istorija astronomije. Prevod S. Zaimovsky. - M., L.: GITL, 1946.

.Veselovsky I.N. Aristarh sa Samosa - Kopernik antičkog svijeta. Povijesna i astronomska istraživanja. - M.: Nauka, 1961. Broj 7, str.44.

.Efremov Yu.N., Pavlovskaya E.D. Određivanje epohe posmatranja zvjezdanog kataloga Almagest korištenjem vlastitih kretanja zvijezda. -- Istorijska i astronomska istraživanja. M.: Nauka, 1989, br. 18.

.I. G. Kolchinsky, A. A. Korsun, M. G. Rodriguez. Astronomi. 2. izdanje, Kijev, 1986.

.Karpenkov S.Kh. Koncept modernih prirodnih nauka: Udžbenik za univerzitete / M.: Academic Prospect, 2001.

.Klimishin I.A. Otkriće svemira. - M.: Nauka, 1987.

.Matvievskaya G.P. As-Sufi. - Istorijska i astronomska istraživanja. M.: Nauka, 1983, broj 16, str. 93--138.

.Pannekoek A. Istorija astronomije. - M.: Nauka, 1966.

.S. Shapiro, S. Tyukalski. Crne rupe, bijeli patuljci i neutronske zvijezde. Moskva, Mir, 1985

.Samygina S.I. “Koncepti moderne prirodne nauke”/Rostov n/D: “Feniks”, 1997.

.Fizika svemira: mala enciklopedija. M.: Sov. enciklopedija, 1986.

.Hawking S. Kratka istorija vremena: od Velikog praska do crnih rupa. M.: Mir, 1990.

.E.V.Kononovich, V.I.Moroz. Opći kurs astronomije. Moskva, 2002.

.Einstein A. Evolucija fizike / M.: Održivi svijet, 2001.

Tutoring

Trebate pomoć u proučavanju teme?

Naši stručnjaci će savjetovati ili pružiti usluge podučavanja o temama koje vas zanimaju.
Pošaljite svoju prijavu naznačivši temu upravo sada kako biste saznali o mogućnosti dobivanja konsultacija.