Вступ. Будова Всесвіту в Древности

3Геліоцентрична модель Всесвіту. Космологічні моделі Всесвіту

1Космологія

2Стаціонарна модель Всесвіту

3Нестационарная модель Всесвіту

4сучасні дослідження космологічних моделей Всесвіту. Нобелівська премія за відкриття прискореного розширення Всесвіту

5Темная матерія

6Темная енергія

висновок

література

Вступ

Всесвіт як ціле є предметом особливої \u200b\u200bастрономічної науки - космології, має давню історію. Витоки її йдуть в античність. Космологія довгий час перебувала під значним впливом релігійного світогляду, будучи не стільки предметом пізнання, скільки справою віри.

Починаючи з XIX ст. космологічні проблеми - не справа віри, а предмет наукового пізнання. Вони вирішуються за допомогою наукових понять, уявлень, теорій, а також приладів та інструментів, що дозволяють зрозуміти, яка структура всесвіту і як вона сформувалася. У XX ст. було досягнуто суттєвого прогресу в науковому розумінні природи і еволюції Всесвіту як цілого. Звичайно, розуміння цих проблем поки що далеко від свого завершення, і, без сумніву, майбутнє призведе до нових великим переворотів в прийнятих зараз поглядах на картину світобудови. Тим не менш, важливо відзначити, що тут ми маємо справу саме з наукою, з раціональним знанням, а не з віруваннями і релігійними переконаннями.

Актуальність даної роботи обумовлена, з одного боку, великим інтересом до будови Всесвіту в сучасній науці, З іншого боку, її недостатньою розробленістю, а також увагою до Всесвіту в сучасному світі.

Об'єкт дослідження: Всесвіт.

Предмет дослідження: моделі будови Всесвіту.

Мета роботи: розглянути сучасні космологічні моделі Всесвіту.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

)Проаналізувати літературу з курсу загальної фізики і астрономії, в зв'язку з вибором предмета дослідження.

)Простежити історію космологічних досліджень.

)Розглянути сучасні космологічні моделі.

)Підібрати ілюстративний матеріал.

Курсова робота складається з вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Глава 1 присвячена історії будови Всесвіту, Глава 2 розглядає космологічні моделі Всесвіту, Глава 3 відкриває сучасні дослідження космологічних моделей, в висновку підводяться підсумки про виконану роботу.

Глава 1. Будова Всесвіту в Древности

.1 Піроцентріческая модель Всесвіту

Шлях до розуміння положення нашої планети і живе на ній людства у Всесвіті був дуже непростим і часом вельми драматичним. У давнину було природним вважати, що Земля є нерухомою, плоскою і знаходиться в центрі світу. Здавалося, що взагалі весь світ створений заради людини. Такі уявлення отримали назву антропоцентризму (від грец. Antropos - людина). Багато ідей і думки, які в подальшому відбилися в сучасних наукових уявленнях про природу, зокрема в астрономії, зародилися в Стародавній Греції, Ще за кілька століть до нашої ери. Важко перерахувати імена всіх мислителів і їх геніальні здогадки. Видатний математик Піфагор (VI ст. До н. Е.) Був переконаний, що «в світі править число». Вважається, що саме Піфагор першим висловив думку про те, що Земля, як і всі інші небесні тіла, має кулясту форму і знаходиться у Всесвіті без будь-якої опори. Піфагорійці запропонували піроцентріческую модель Всесвіту, в якій зірки, Сонце, Місяць і шість планет обертаються навколо Центрального Вогню (Гестії). Щоб всього вийшло священне число - десять - сфер, шостою планетою оголосили Противоземлю (Антихтон). Як Сонце, так і Місяць, за цією теорією, світили відбитим світлом Гестії. Це була перша математична система світу - у інших стародавніх космогоніст працювало швидше уява, ніж логіка. Відстані між сферами світил у піфагорійців відповідали музичним інтервалам в гаммі; при обертанні їх звучить «музика сфер», нечутна нами. Піфагорійці вважали Землю кулястої і обертається, отчого і відбувається зміна дня і ночі. У піфагорійців виникло вперше і поняття ефіру. Це самий верхній, чистий і прозорий шар повітря, місце перебування богів.

1.2 Геоцентрична модель Всесвіту

Інший не менш відомий вчений стародавності, Демокріт - основоположник уявлень про атомах, що жив за 400 років до нашої ери, - вважав, що Сонце у багато разів більше Землі, що Місяць сама не світиться, а лише відображає сонячне світло, А Чумацький Шлях складається з величезної кількості зірок. Узагальнити всі знання, які були одержані на IV ст. до н. е., зміг видатний філософ античного світу Арістотель (384-322 до н. е.).

Мал. 1. Геоцентрична система світу Аристотеля-Птолемея.

Його діяльність охоплювала всі природні науки - відомості про небо і Землі, про закономірності руху тіл, про тварин і рослини і т. Д. Головною заслугою Аристотеля як вченого-енциклопедиста було створення єдиної системи наукових знань. Протягом майже двох тисячоліть його думку з багатьох питань не піддавалося сумніву. Відповідно до Аристотеля, все важке прагне до центру Всесвіту, де скупчується і утворює кулясту масу - Землю. Планети розміщені на особливих сферах, які обертаються навколо Землі. Така система світу отримала назву геоцентричної (від грецького назви Землі - Гея). Аристотель не випадково запропонував вважати Землю нерухомим центром світу. Якби Земля переміщалася, то, по справедливому думку Аристотеля, було б помітно регулярне зміна взаємного розташування зірок на небесній сфері. Але нічого подібного ніхто з астрономів не спостерігав. Тільки в початку XIX в. було нарешті виявлено і виміряно зміщення зірок (паралакс), що відбувається внаслідок руху Землі навколо Сонця. Багато узагальнення Аристотеля були засновані на таких висновках, які в той час не могли бути перевірені досвідом. Так, він стверджував, що рух тіла не може відбуватися, якщо на нього не діє сила. Як ви знаєте з курсу фізики, ці уявлення були спростовані лише в XVII в. за часів Галілея і Ньютона.

1.3 Геліоцентрична модель Всесвіту

Серед вчених давнини виділяється сміливістю своїх здогадок Аристарх Самоський, жив в III в. до н. е. Він першим визначив відстань до Місяця, обчислив розміри Сонця, яке, за його даними, виявилося в 300 з гаком разів більше Землі за обсягом. Ймовірно, ці дані стали однією з підстав для висновку про те, що Земля разом з іншими планетами рухається навколо цього найбільшого тіла. В наші дні Аристарха Самоський стали називати «Коперником античного світу». Цей вчений вніс нове в вчення про зірок. Він вважав, що вони відстоять від Землі незмірно далі, ніж Сонце. Для тієї епохи це відкриття було дуже важливим: із затишного домашнього маленького світу Всесвіт перетворювалася в неосяжний гігантський світ. У цьому світі Земля з її горами і рівнинами, з лісами і полями, з морями і океанами ставала крихітної порошиною, загубленої в грандіозному порожньому просторі. На жаль, праці цього чудового вченого до нас практично не дійшли, і понад півтори тисячі років людство було впевнене, що Земля - \u200b\u200bце нерухомий центр світу. Неабиякою мірою цьому сприяло математичний опис видимого руху світил, яке розробив для геоцентричної системи світу один з найвидатніших математиків давнину - Клавдій Птолемей у II ст. н.е. Найбільш складним завданням виявилося пояснення петлеподібного руху планет.

Птолемей у своєму знаменитому творі «Математичний трактат з астрономії» (воно більш відоме як «Альмагест») стверджував, що кожна планета рівномірно рухається по епіціклу- малому колі, центр якого рухається навколо Землі по деференту - великому колу. Тим самим йому вдалося пояснити особливий характер руху планет, яким вони відрізнялися від Сонця і Місяця. Система Птолемея давала чисто кінематичне опис руху планет - іншого наука того часу запропонувати не могла. Ви вже переконалися, що використання моделі небесної сфери при описі руху Сонця, Місяця і зірок дозволяє вести багато корисних для практичних цілей розрахунки, хоча реально такої сфери не існує. Те ж справедливо і щодо епіциклів і деферентов, на основі яких можна з певним ступенем точності розраховувати положення планет.

Мал. 2. Рух Землі і Марса.

Однак з плином часу вимоги до точності цих розрахунків постійно зростали, доводилося додавати все нові і нові епіцикли для кожної планети. Все це ускладнювало систему Птолемея, роблячи її надмірно громіздкою і незручною для практичних розрахунків. Проте геоцентрична система залишалася непорушною ще близько 1000 років. Адже після розквіту античної культури в Європі настав тривалий період, протягом якого не було зроблено жодного суттєвого відкриття в астрономії і багатьох інших науках. Тільки в епоху Відродження починається підйом в розвитку наук, в якому астрономія стає одним з лідерів. У 1543 році була видана книга видатного польського вченого Миколи Коперника (1473-1543), в якій він обгрунтував нову - геліоцентричну - систему світу. Коперник показав, що добове рух усіх світил можна пояснити обертанням Землі навколо осі, а петлеобразное рух планет - тим, що всі вони, включаючи Землю, обертаються навколо Сонця.

На малюнку показано рух Землі і Марса в той період, коли, як нам здається, планета описує на небі петлю. Створення геліоцентричної системи ознаменувало новий етап у розвитку не тільки астрономії, але і всього природознавства. Особливо важливу роль зіграла ідея Коперника про те, що за видимою картиною явищ, що відбуваються, яка здається нам істинної, треба шукати і знаходити недоступну для безпосереднього спостереження сутність цих явищ. Геліоцентрична система світу, обгрунтована, але не доведена Коперником, отримала своє підтвердження і розвиток у працях таких видатних вчених, як Галілео Галілей і Йоганн Кеплер.

Галілей (1564-1642), одним з перших направив телескоп на небо, витлумачив зроблені при цьому відкриття як аргументи на користь теорії Коперника. Відкривши зміну фаз Венери, він прийшов до висновку, що така їх послідовність може спостерігатися тільки в разі її обертання навколо Сонця.

Мал. 3. Геліоцентрична система світу.

Виявлені ним чотири супутники планети Юпітер також спростовували уявлення про те, що Земля є єдиним в світі центром, навколо якого може відбуватися обертання інших тіл. Галілей не тільки побачив гори на Місяці, але навіть виміряв їх висоту. Поряд з кількома іншими вченими він також спостерігав плями на Сонці і помітив їх переміщення по сонячному диску. На цій підставі він зробив висновок, що Сонце обертається і, отже, має такий рух, який Коперник приписував нашій планеті. Так був зроблений висновок про те, що Сонце і Місяць мають певну схожість з Землею. Нарешті, спостерігаючи в Чумацькому Шляху і поза ним безліч слабких зірок, недоступних неозброєним оком, Галілей зробив висновок про те, що відстані до зірок різні і ніякої «сфери нерухомих зірок» не існує. Всі ці відкриття стали новим етапом в усвідомленні положення Землі у Всесвіті.

Глава 2. Космологічні моделі Всесвіту

.1 Космология

У перекладі з грецької космологія означає «опис світового порядку». це наукова дисципліна, Покликана знайти найбільш загальні закони руху Матерії і побудувати розуміння Всесвіту як гармонійного єдиного цілого. В ідеалі в ній (в космологічної теорії) не повинно бути місця випадковості, але все спостережувані в Космосі явища повинні поставати як прояви загальних законів руху Матерії. Таким чином, космологія - це ключі до розуміння всього, що відбувається як в макрокосмосі, так і в мікрокосмос.

Космологія - розділ астрономії та астрофізики, що вивчає походження, великомасштабну структуру і еволюцію Всесвіту. Дані для космології в основному отримують з астрономічних спостережень. Для їх інтерпретації в даний час використовується загальна теорія відносності А. Ейнштейна (1915). Створення цієї теорії і проведення відповідних спостережень дозволило на початку 1920-х років поставити космологію в ряд точних наук, тоді як до цього вона скоріше була областю філософії. Зараз склалися дві космологічні школи: емпірики обмежуються інтерпретацією спостережних даних, які не екстраполюючи свої моделі в невивчені області; теоретики намагаються пояснити спостережувану Всесвіт, використовуючи деякі гіпотези, відібрані за принципом простоти і елегантності. Широкою популярністю користується зараз космологічна модель Великого вибуху, згідно з якою розширення Всесвіту почалося деякий час тому з дуже щільного та гарячого стану; обговорюється і стаціонарна модель Всесвіту, в якій вона існує вічно і не має ні початку, ні кінця.

2.2 Стаціонарна модель Всесвіту

початок нової теорії походження Всесвіту було покладено публікацією в 1916 році роботи Альберта Ейнштейна "Основи загальної теорії відносності".

Ця робота є основою релятивістської теорії гравітації, на яку, в свою чергу, спирається сучасна космологія. Загальна теорія відносності застосовується вже до всіх систем відліку (а не тільки до рухаються з постійною швидкістю одна відносно іншої) і виглядає математично набагато складніше, ніж спеціальна (чим і пояснюється розрив в одинадцять років між їх публікацією). Вона включає в себе як окремий випадок спеціальну теорію відносності (і, отже, закони Ньютона). При цьому загальна теорія відносності йде значно далі за всіх своїх попередниць. Зокрема, вона дає нову інтерпретацію гравітації. Загальна теорія відносності робить світ чотиривимірним: до трьох просторових вимірів додається час. Всі чотири виміри нерозривні, тому мова йде вже не про просторовому відстані між двома об'єктами, як це має місце в тривимірному світі, а про просторово-часових інтервалах між подіями, які об'єднують їх віддаленість один від одного - як за часом, так і в просторі . Тобто простір і час розглядаються як чотиривимірний просторово-часовий континуум або, попросту, простір-час. Уже в 1917 році сам Ейнштейн запропонував виведену їм зі своїх рівнянь поля модель простору, відому нині як Модель Всесвіту Ейнштейна. За своєю суттю це була стаціонарна модель. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю, Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану космологічну постійну. Він ввів нову «антигравітаційну» силу, яка на відміну від інших сил не породжувати будь-яким джерелом, а була закладена в саму структуру простору-часу. Ейнштейн стверджував, що простір - час саме по собі завжди розширюється і цим розширенням точно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, так що в результаті Всесвіт виявляється статичної.

З урахуванням космологічної сталої рівняння Ейнштейна мають вигляд:

де ? - космологічна стала, g ab - метричний тензор, R ab - тензор Річчі, R - скалярна кривизна, T ab - тензор енергії-імпульсу, c - швидкість світла, G - гравітаційна стала Ньютона.

«Всесвіт, зображувана теорією відносності Ейнштейна, подібна роздувається мильна бульбашка. Вона - не його нутро, а плівка. Поверхня міхура двумерна, а міхур Всесвіту має чотири виміри: три просторових і одне - тимчасове », - так писав колись відомий англійський фізик Джеймс Джинс. Цей сучасний вчений (він помер в 1946 році) як би відродив стару ідею послідовників Платона і Піфагора про те, що все навколо - чиста математика, і бог, який створив цю математичну Всесвіт, сам був великим математиком.

Але і Ейнштейн теж був великим математиком. Його формули дозволяють обчислити радіус цієї Всесвіту. Оскільки кривизна її залежить від маси тіл, які її складають, то треба знати середню щільність матерії. Астрономи протягом багатьох років вивчали одні і ті ж маленькі ділянки неба і скрупульозно підраховували кількість матерії в них. Виявилося, що щільність дорівнює приблизно 10 -30 г / см 3. Якщо підставити цю цифру в формули Ейнштейна, то, по-перше, вийде позитивна величина кривизни, тобто наш Всесвіт замкнута! - а, по-друге, радіус її дорівнює 35 мільярдам світлових років. Це означає, що хоча Всесвіт і кінцева, але вона величезна - промінь світла, їдучи по Великому Космічному колі, повернеться в ту ж точку через 200 мільярдів земних років!

Це не єдиний парадокс всесвіту Ейнштейна. Вона не тільки кінцева, але безмежна, вона ще й непостійна. Свою теорію Альберт Ейнштейн сформулював у вигляді десяти дуже складних, так званих нелінійних диференціальних рівнянь. Однак далеко не всі вчені поставилися до них як до десяти заповідей, що допускає лише одне-єдине тлумачення. Та це й не дивно - адже точно вирішити такі рівняння сучасна математика не вміє, а наближених рішень може бути багато.

2.3 Нестационарная модель Всесвіту

Перші принципово нові революційні космологічні слідства загальної теорії відносності розкрив видатний радянський математик і фізик-теоретик Олександр Олександрович Фрідман (1888-1925).

Основними рівняннями загальної теорії відносності є «світові рівняння» Ейнштейна, що описують геометричні властивості, або метрику, чотиривимірного викривленого простору - часу.

Рішення їх дозволяє в принципі побудувати математичну модель Всесвіту. Першу таку спробу зробив сам Ейнштейн. Вважаючи радіус кривизни простору постійним (т. Е. Виходячи з припущення про стаціонарності Всесвіту в цілому, що уявлялося найбільш розумним), він прийшов до висновку, що Всесвіт повинен бути просторово кінцевої і мати форму чотиривимірного циліндра. У 1922-1924 рр. Фрідман виступив з критикою висновків Ейнштейна. Він показав необгрунтованість його вихідного постулату - про стаціонарності, незмінності в часі Всесвіту. Проаналізувавши світові рівняння, Фрідман дійшов висновку, що їх рішення ні за яких умов не може бути однозначним і не може дати відповіді на питання про форму Всесвіту, її кінцівки або нескінченності.

Виходячи з протилежного постулату - про можливу зміну радіуса кривизни світового простору в часі, Фрідман знайшов нестаціонарні рішення «світових рівнянь». Як приклад таких рішень він побудував три можливі моделі Всесвіту. У двох з них радіус кривизни простору монотонно зростає, і Всесвіт розширюється (в одній моделі - з точки, в іншій - починаючи з деякого кінцевого обсягу). Третя модель малювала картину пульсуючого Всесвіту з періодично мінливих радіусом кривизни.

Модель Фрідмана спирається на уявлення про изотропном, однорідному і нестаціонарному стані Всесвіту:

Ø Ізотропності вказує на те, що у Всесвіті не існує яких-небудь виділених крапок напрямків, тобто її властивості не залежать від напрямку.

Ø Однорідність Всесвіту характеризує розподіл речовини в ній. Цю рівномірність розподілу речовини можна обґрунтувати, підраховуючи число галактик до даної видимої зоряної величини. Згідно зі спостереженнями, щільність речовини у видимому нами частини простору в середньому однакова.

Ø Нестационарность означає, що Всесвіт не може перебувати в статичному, незмінному стані, а повинна або розширюватися, або стискатися

У сучасній космології три цих затвердження називаються космологическими постулатами. Сукупність цих постулатів є основоположним космологічним принципом. Космологічний принцип безпосередньо випливає з постулатів загальної теорії відносності. А.Фридман, на базі висунутих їм постулатів, створив модель будови Всесвіту, в якій всі галактики віддаляються один від одного. Ця модель схожа на рівномірно роздувається гумовий куля, всі крапки простору якого віддаляються один від одного. Відстань між будь-якими двома точками збільшується, проте жодну з них не можна назвати центром розширення. Причому, чим більше відстань між точками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Сам Фрідман розглядав тільки одну модель будови Всесвіту, в якій простір змінюється по параболічного закону. Тобто, спочатку воно буде повільно розширюватися, а потім, під впливом сил гравітації - розширення зміниться стисканням до початкових розмірів. Його послідовники показали, що існує як мінімум три моделі, для яких виконуються всі три космологічних постулату. Параболічна модель А.Фридман - один з можливих варіантів. Дещо інше рішення задачі знайшов голландський астроном В. де Сіттер. Простір Всесвіту в його моделі гіперболічне, тобто розширення Всесвіту відбувається з наростаючим прискоренням. Швидкість розширення настільки велика, що гравітаційний вплив не може перешкоджати цьому процесу. Він фактично передбачив розширення Всесвіту. Третій варіант поведінки Всесвіту розрахував бельгійський священик Ж. Леметр. У його моделі Всесвіт буде розширюватися до нескінченності, проте темп розширення буде постійно знижуватися - ця залежність носить логарифмічний характер. У цьому випадку швидкість розширення тільки-тільки достатня, щоб уникнути стиснення до нуля. У першій моделі простір викривлений і замкнуто саме на себе. Це сфера, тому розміри його кінцеві. У другій моделі простір викривлений інакше, в формі гіперболічного параболоїда (або сідла), простір нескінченно. У третій моделі з критичною швидкістю розширення простір плоске, і, отже, теж нескінченне.

Спочатку ці гіпотези сприймалися як казус, в тому числі і А. Ейнштейном. Однак, вже в 1926 році, відбулася епохальна подія в космології, яке підтвердило правильність розрахунків Фрідмана - Де Ситтера - Леметра. Такою подією, які надали вплив на побудову всіх існуючих моделей Всесвіту, з'явилися роботи американського астронома Едвіна П. Хаббла. У 1929 році під час проведення спостережень на найбільшому в той час телескопі, він встановив, що світло, що йде до Землі з далеких галактик, зміщується в бік довгохвильовій частині спектра. Це явище, що отримало назву «Ефект червоного зсуву» має в своїй основі принцип, відкритий відомим фізиком К. Доплер. Ефект Доплера говорить про те, що в спектрі джерела випромінювання, що наближається до спостерігача лінії спектра зміщені в короткохвильову (фіолетову) сторону, в спектрі джерела, що віддаляється від спостерігача спектральні лінії зміщені в червону (довгохвильову) сторону.

Ефект червоного зсуву свідчить про видалення галактик від спостерігача. За винятком знаменитої Туманності Андромеди і декількох, найближчих до нас зоряних систем, всі інші галактики віддаляються про нас. Більш того, виявилося, що швидкість розльоту галактик не однакова в різних частинах Всесвіту. Вони віддаляються від нас тим швидше, чим далі розташовані. Інакше кажучи, величина червоного зсуву виявилася пропорційною відстані до джерела випромінювання - така сувора формулювання відкритого закону Хаббла. Закономірний зв'язок швидкості видалення галактик з відстанню до них описується за допомогою постійної Хаббла (Н, км / сек на 1 мегапарсек відстані).

V \u003d Hr ,

де V - швидкість віддалення галактик, H - постійна Хаббла, r - відстань між ними.

Величина цієї постійної досі остаточно не встановлена. Різні вчені визначають її в інтервалі 80 ± 17 км / сек на кожен мегапарсек відстані. Явище червоного зсуву отримало пояснення у феномені «розбігання галактик». У зв'язку з цим, на перший план висуваються проблеми дослідження розширення Всесвіту і визначення її віку по тривалості цього розширення.

Більшість сучасних космологів розуміють це розширення, як розширення дійсно всій мислимої і існуючої Всесвіту ... На жаль, рання смерть не дозволила геніальному теоретику Всесвіту А. А. Фрідманом, ідеї якого понад півстоліття направляють думку космологов, самому взяти участь у подальшому революційному розвитку процесу поновлення космологічної картини світу. Досвід історії розвитку знань про світ підказує, однак, що і сучасна релятивістська космологічна картина світу, будучи результатом екстраполяції на все мислиме «ціле» знань про обмеженої частини Всесвіту, неминуче неточна. Тому можна думати, що вона швидше відображає властивості обмеженої частини Всесвіту (яку і можна назвати Метагалактикою), причому, можливо, лише один з етапів її розвитку (що допускає релятивістська космологія і що може прояснитися з уточненням середньої щільності матерії в Метагалактиці). В даний час, однак, в цьому пункті картина світу залишається невизначеною.

Глава 3. Сучасні дослідження космологічних моделей Всесвіту

.1 Нобелівська премія за відкриття прискореного розширення Всесвіту

Сучасна космологія - це складна, комплексна і швидко розвивається система природно - наукових (астрономія, фізика, хімія та ін.) І філософських знань про Всесвіт в цілому, заснована як на спостережних даних, так і на теоретичних висновках, що відносяться до охопленої астрономічними спостереженнями частини всесвіту .

Зовсім недавно, в області сучасної космології було зроблено відкриття, яке в майбутньому зможе змінити наші уявлення про походження і еволюцію нашого Всесвіту. Вчені, що зробили величезний внесок в розвиток цього відкриття, були нагороджені за свою працю Нобелівською премією.

Нобелівська премія була вручена американцеві Солу Перлмуттеру, австралійцю Брайану Шмідту і американцеві Адаму Рису за відкриття прискореного розширення Всесвіту.

У 1998 році вчені виявили, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Відкриття було зроблено завдяки вивченню наднових типу Ia. Наднові - це зірки, які час від часу яскраво спалахують на небосхилі і потім досить швидко тьмяніють. Завдяки своїм унікальним властивостям ці зірки використовують в якості маркерів для визначення того, як космологічні відстані змінюються з часом. Спалах наднової - це момент в житті масивної зірки, коли вона відчуває катастрофічний вибух. Наднові бувають різних типів в залежності від конкретних обставин, що передують катаклізму. При спостереженнях тип спалаху визначають по спектру і формою кривої блиску. Наднові, які отримали позначення Ia, виникають при термоядерному вибуху білого карлика, маса якого перевищила порогове значення ~ 1,4 маси Сонця, зване межею Чандрасекара. Поки маса білого карлика менше порогового значення, сила гравітації зірки врівноважується тиском виродженого електронного газу. Але якщо в тісній подвійній системі з сусідньої зірки на нього перетікає речовина, то в певний момент електронне тиск виявляється недостатнім і зірка вибухає, а астрономи реєструють ще один спалах наднової типу Ia. Оскільки гранична маса і причина, по якій білий карлик вибухає, завжди однакові, такі наднові в максимумі блиску повинні мати однакову, причому вельми велику світність і можуть служити «стандартної свічкою» для визначення міжгалактичних відстаней. Якщо зібрати дані по багатьом таким наднових і порівняти відстані до них із червоними зміщеннями галактик, в яких траплялися спалахи, то можна визначити, як змінювався в минулому темп розширення Всесвіту, і підібрати відповідну космологічних моделях.

Вивчаючи віддалені від Землі наднові, вчені виявили, що вони як мінімум на чверть тьмяніше, ніж передбачає теорія - це означає, що зірки розташовані занадто далеко. Розрахувавши, таким чином, параметри розширення Всесвіту, вчені встановили, що цей процес відбувається з прискоренням.

3.2 Темна матерія

Темна матерія кшталт звичайного речовини в тому сенсі, що вона здатна збиратися в згустки (розміром, скажімо, з галактику або скупчення галактик) і бере участь в гравітаційних взаємодіях так само, як звичайну речовину. Швидше за все, вона складається з нових, невідкритих ще в земних умовах частинок.

Крім космологічних даних, на користь існування темної матерії служать вимірювання гравітаційного поля в скупченнях галактик і в галактиках. Є кілька способів вимірювання гравітаційного поля в скупченнях галактик, один з яких - гравітаційне лінзування, проілюстроване на рис. 4.

Мал. 4. Гравітаційне лінзування.

Гравітаційне поле скупчення викривляє промені світла, випущені галактикою, що знаходиться за скупченням, т. Е. Гравітаційне поле діє як лінза. При цьому іноді з'являються кілька образів цієї віддаленої галактики; на лівій половині рис. 7 вони мають блакитний колір. Викривлення світла залежить від розподілу маси в скупченні, незалежно від того, які частки цю масу створюють. Відновлене таким чином розподіл маси показано на правій половині рис. 7 блакитним кольором; видно, що воно сильно відрізняється від розподілу речовини, що світиться. Виміряні подібним чином маси скупчень галактик узгоджуються з тим, що темна матерія вкладає близько 25% в повну густину енергії у Всесвіті. Нагадаємо, що це ж число виходить з порівняння теорії освіти структур (галактик, скупчень) з спостереженнями.

Темна матерія є і в галактиках. Це знову-таки випливає з вимірів гравітаційного поля, тепер уже в галактиках і їх околицях. Чим сильніше гравітаційне поле, тим швидше обертаються навколо галактики зірки і хмари газу, так що вимірювання швидкостей обертання в залежності від відстані до центру галактики дозволяють відновити розподіл маси в ній.

Що собою являють частинки темної матерії? Ясно, що ці частки не повинні розпадатися на інші, більш легкі частинки, інакше б вони розпалися за час існування Всесвіту. Сам цей факт свідчить про те, що в природі діє новий, який не відкритий поки закон збереження, який забороняє цим часткам розпадатися. Аналогія тут з законом збереження електричного заряду: електрон - це найлегша частинка з електричним зарядом, і саме тому він не розпадається на більш легкі частинки (наприклад, нейтрино і фотони). Далі, частинки темної матерії надзвичайно слабо взаємодіють з нашим речовиною, інакше вони були б уже виявлені в земних експериментах. Далі починається область гіпотез. Найбільш правдоподібною (але далеко не єдиною!) Представляється гіпотеза про те, що частинки темної матерії в 100-1000 разів важче протона, і що їх взаємодія зі звичайним речовиною за інтенсивністю можна порівняти з взаємодією нейтрино. Саме в рамках цієї гіпотези сучасна щільність темної матерії знаходить просте пояснення: частинки темної матерії інтенсивно народжувалися і аннигилировали в дуже ранньому Всесвіті при надвисоких температурах (близько 1015 градусів), і частина їх дожила до наших днів. При зазначених параметрах цих частинок їх сучасне кількість у Всесвіті виходить якраз таке, яке потрібно.

Чи можна очікувати відкриття частинок темної матерії в недалекому майбутньому в земних умовах? Оскільки ми сьогодні не знаємо природу цих частинок, відповісти на це питання цілком однозначно не можна. Проте, перспектива є досить оптимістичною.

Є кілька шляхів пошуку частинок темної матерії. Один з них пов'язаний з експериментами на майбутніх прискорювачах високої енергії - коллайдерах. Якщо частинки темної матерії дійсно важче протона в 100-1000 разів, то вони будуть народжуватися в зіткненнях звичайних частинок, розігнаних на коллайдерах до високих енергій (енергій, досягнутих на існуючих коллайдерах, для цього не вистачає). Найближчі перспективи тут пов'язані зі споруджуваним в міжнародному центрі ЦЕРН під Женевою Великим адронним колайдером (LHC), на якому будуть отримані зустрічні пучки протонів з енергією 7x7 тераелектронвольт. Потрібно сказати, що згідно з популярним сьогодні гіпотезам, частинки темної матерії - це лише один представник нового сімейства елементарних частинок, так що поряд з відкриттям частинок темної матерії можна сподіватися на виявлення на прискорювачах цілого класу нових частинок і нових взаємодій. Космологія підказує, що відомими сьогодні «цеглинками» світ елементарних частинок далеко не вичерпується!

Інший шлях полягає в реєстрації частинок темної матерії, які літають навколо нас. Їх зовсім не мало: при масі, рівної 1000 мас протона, цих частинок тут і зараз має бути 1000 штук в кубічному метрі. Проблема в тому, що вони вкрай слабо взаємодіють зі звичайними частинками, речовина для них прозоро. Проте, частинки темної матерії зрідка стикаються з атомними ядрами, і ці зіткнення можна сподіватися зареєструвати. Пошук в цьому напрямку ведеться за допомогою цілого ряду високочутливих детекторів, поміщених глибоко під землею, де різко знижений фон від космічних променів.

Нарешті, ще один шлях пов'язаний з реєстрацією продуктів анігіляції часток темної матерії між собою. Ці частинки повинні накопичуватися в центрі Землі і в центрі Сонця (речовина для них практично прозоро, і вони здатні провалюватися всередину Землі або Сонця). Там вони анігілюють один з одним, і при цьому утворюються інші частинки, в тому числі нейтрино. Ці нейтрино вільно проходять крізь товщу Землі або Сонця, і можуть бути зареєстровані спеціальними установками - нейтрино телескопами. Один з таких нейтронних телескопів розташований в глибині озера Байкал, інший (AMANDA) - глибоко в льоду на Південному полюсі. Є й інші підходи до пошуку частинок темної матерії, наприклад, пошук продуктів їх анігіляції в центральній області нашої Галактики. Який з усіх цих шляхів першим приведе до успіху, покаже час, але в будь-якому випадку відкриття цих нових частинок і вивчення їх властивостей стане найважливішим науковим досягненням. Ці частинки розкажуть нам про властивості Всесвіту через 10-9 с (одна мільярдна секунди!) Після Великого Вибуху, коли температура Всесвіту становила 1015 градусів, і частинки темної матерії інтенсивно взаємодіяли з космічної плазмою.

3.3 Темна енергія

Темна енергія - набагато більш дивна субстанція, ніж темна матерія. Почати з того, що вона не збирається в згустки, а рівномірно «розлита» у Всесвіті. В галактиках і скупченнях галактик її стільки ж, скільки поза ними. Найдивовижніше те, що темна енергія в певному сенсі відчуває антигравітацію. Ми вже говорили, що сучасними астрономічними методами можна не тільки виміряти нинішній темп розширення Всесвіту, а й визначити, як він змінювався з часом. Так ось, астрономічні спостереження свідчать про те, що сьогодні (і в недалекому минулому) Всесвіт розширюється з прискоренням: темп розширення зростає з часом. У цьому сенсі і можна говорити про антигравітації: звичайне гравітаційне тяжіння уповільнювало б розбігання галактик, а в нашому Всесвіті, виходить, все навпаки.

геліоцентричний всесвіт космологічний гравітаційний

Мал. 5. Ілюстрація темної енергії.

Така картина, взагалі кажучи, не суперечить загальній теорії відносності, однак для цього темна енергія повинна мати спеціальну властивість - негативним тиском. Це різко відрізняє її від звичайних форм матерії. Не буде перебільшенням сказати, що природа темної енергії - це головна загадка фундаментальної фізики XXI століття.

Один з кандидатів на роль темної енергії - вакуум. Щільність енергії вакууму не змінюється при розширенні Всесвіту, а це і означає негативне тиск вакууму. Інший кандидат - нове надслабку поле, яке пронизує весь Всесвіт; для нього вживають термін «квінтесенція». Є й інші кандидати, але в будь-якому випадку темна енергія являє собою щось зовсім незвичайне.

Інший шлях пояснення прискореного розширення Всесвіту полягає в тому, щоб припустити, що самі закони гравітації видозмінюються на космологічних відстанях і космологічних часи. Така гіпотеза далеко не безневинна: \u200b\u200bспроби узагальнення загальної теорії відносності в цьому напрямку стикаються з серйозними труднощами. Мабуть, якщо таке узагальнення взагалі можливо, то воно буде пов'язано з поданням про існування додаткових розмірностей простору, крім тих трьох вимірів, які ми сприймаємо в повсякденному досвіді.

На жаль, зараз не видно шляхів прямого експериментального дослідження темної енергії в земних умовах. Це, звичайно, не означає, що в майбутньому не може з'явитися нових блискучих ідей в цьому напрямку, але сьогодні надії на прояснення природи темної енергії (або, більш широко, причини прискореного розширення Всесвіту) пов'язані виключно з астрономічними спостереженнями і з отриманням нових, більш точних космологічних даних. Нам належить дізнатися в деталях, як саме розширювалася Всесвіт на відносно пізньому етапі її еволюції, і це, треба сподіватися, дозволить зробити вибір між різними гіпотезами.

висновок

У цій роботі мною було розглянуто космологічні моделі Всесвіту. Проаналізувавши літературу з курсу загальної фізики і астрономії, я простежила історію космологічних досліджень, розглянула сучасні космологічні моделі Всесвіту і підібрала ілюстративний матеріал до теми дослідження. Довівши актуальність обраної теми, підвела підсумки за виконану роботу.

література

1.Беррі А. коротка історія астрономії. Переклад С. Займовского. - М., Л .: Гітл, 1946.

.Веселовський И.Н. Аристарх Самоський - Коперник античного світу. Історико-астрономічні дослідження. - М .: Наука, 1961. Вип.7, с.44.

.Єфремов Ю.М., Павловська О.Д. Визначення епохи спостереження зоряного каталогу "Альмагеста" за власними рухам зірок. - Історико-астрономічні дослідження. М .: Наука, 1989, вип.18.

.І. Г. Колчинський, А. А. Корсунь, М. Г. Родрігес. Астрономи. 2-е изд., Київ, 1986.

.Карпенків С.Х. концепція сучасного природознавства: Підручник для вузів / М .: Академічний проспект, 2001..

.Климишин І.А. Відкриття Всесвіту. - М .: Наука, 1987.

.Матвієвська Г.П. Ас-Суфі. - Історико-астрономічні дослідження. М .: Наука, 1983, вип.16, с.93--138.

.Паннекук А. Історія астрономії. - М .: Наука, 1966.

.С. Шапіро, С. Тьюкальскі. Чорні діри, білі карлики і нейтронні зірки. Москва, Мир, 1985

.Самигіна С.І. «Концепції сучасного природознавства» / Ростов н / Д: «Фенікс», 1997.

.Фізика космосу: Маленька енциклопедія. М .: Сов. енциклопедія, 1986.

.Хокінг С. Коротка історія часу: Від Великого Вибуху до чорних дірок. М .: Світ, 1990..

.Е.В.Кононовіч, В.І.Мороз. Курс загальної астрономії. Москва, 2002 рік.

.Ейнштейн А. Еволюція фізики / М .: Стійкий світ, 2001..

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення будь-ліби теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть послуги репетиторства з тематики.
Відправ заявку із зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Поняття «Всесвіт» і «Метагалактика» - дуже близькі поняття: вони характеризують один і той же об'єкт, але в різних аспектах. Поняття «Всесвіт» позначає весь існуючий матеріальний світ; поняття «Метагалактика» - той же світ, але з точки зору його структури - як упорядковану систему галактик.

У класичній науці існувала так звана теорія стаціонарного стану Всесвіту, відповідно до якої Всесвіт завжди була майже такою ж, як зараз. Астрономія була статичною: вивчалися руху планет і комет, описувалися зірки, створювалися їх класифікації, що було, звичайно, дуже важливо. Але питання про еволюцію Всесвіту не ставилося.

У даній контрольної роботи будуть розглянуті основні космологічні моделі Всесвіту.

1.1 Сучасні космологічні моделі Всесвіту: модель Енштейна А., модель А.А. Фрідмана

Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, згідно з якою метрика простору і часу визначається розподілом гравітаційних мас у Всесвіті. Її властивості як цілого обумовлені середньою щільністю матерії та іншими конкретно-фізичними факторами.

Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена \u200b\u200bнаявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена самим А. Ейнштейном в 1917 р Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченності простору і часу. Відповідно до космологічної моделлю Всесвіту А. Ейнштейна світовий простір однорідний і изотропно, матерія в середньому розподілена в ній рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відвернути.

Час існування Всесвіту нескінченно, т. Е. Не має ні початку, ні кінця, а простір безмежно, але звичайно.

Всесвіт в космологічної моделі А. Ейнштейна стаціонарне, нескінченна в часі і безмежна в просторі.

У 1922 р російський математик і геофізик А. А Фрідман відкинув постулат класичної космології про стаціонарності Всесвіту і отримав рішення рівняння Ейнштейна, що описує Всесвіт з «розширюється» простором.

Відношення середньої щільності всесвіту критичної позначається

Існують три космологічні моделі, що залежать від, на ім'я їх творця названі фрідмановскіх. У цих моделях не враховується енергія вакууму (космологічна стала).

I фрідмановскіх модель,. Розширення всесвіту буде вічним, причому швидкості галактик ніколи не будуть прагнути до нуля. Простір у такій моделі - нескінченне, має негативну кривизну, описується геометрією Лобачевського. Через кожну точку такого простору можна провести безліч прямих, паралельних даній, сума кутів трикутника менше 180 °, відношення довжини кола до радіусу більше 2π.

II фрідмановскіх модель,. Розширення всесвіту буде вічним, але в нескінченності його швидкість буде прагнути до нуля. Простір у такій моделі - нескінченне, плоске, описується геометрією Евкліда.

III фрідмановскіх модель,. Розширення всесвіту зміниться стисканням, колапсом і закінчиться тим, що всесвіт стиснеться в сингулярну точку (Великий Хрускіт). Простір у такій моделі - кінцеве, має позитивну кривизну, за формою являє собою тривимірну гіперсферу, описується сферичної геометрією Рімана. У такому просторі немає паралельних прямих, сума кутів трикутника більше 180 °, відношення довжини кола до радіусу менше 2π. Повна сумарна маса такої всесвіту дорівнює нулю.

За сучасними даними .

1.2 Альтернативні космологічні моделі Всесвіту

Крім стандартної моделі Великого вибуху, в принципі існують і альтернативні космологічні моделі:

1. Модель, симетрична відносно матерії та антиматерії, передбачає рівний присутність цих двох видів речовини у Всесвіті. Хоча очевидно, що наша Галактика практично не містить антиречовини, сусідні зоряні системи цілком могли б цілком складатися з нього; при цьому їх випромінювання було б точно таким же, як у нормальних галактик. Однак в більш ранні епохи розширення, коли речовина і антиречовину були в більш тісному контакті, їх анігіляція повинна була народжувати потужне гамма-випромінювання. Спостереження його не виявляються, що робить симетричну модель малоймовірною.

2. У моделі Холодного Великого вибуху передбачається, що розширення почалося при температурі абсолютного нуля. Правда, і в цьому випадку ядерний синтез повинен відбуватися і розігрівати речовина, але мікрохвильове фонове випромінювання вже не можна прямо пов'язувати з Великим вибухом, а потрібно пояснювати якось інакше. Ця теорія приваблива тим, що речовина в ній піддається фрагментації, а це необхідно для пояснення великомасштабної неоднорідності Всесвіту.

3. Стаціонарна космологічна модель передбачає безперервне народження речовини. Основне положення цієї теорії, відоме як Ідеальний космологічний принцип, стверджує, що Всесвіт завжди була і залишиться такою, як зараз. Спостереження спростовують це.

4. Розглядаються змінені варіанти ейнштейнівської теорії гравітації. Наприклад, теорія К.Бранса і Р.Дікке з Прінстона в загальному узгоджується зі спостереженнями в межах Сонячної системи. Модель Бранса - Дікке, а також більш радикальна модель Ф. Хойл, в якій деякі фундаментальні постійні змінюються з часом, мають майже такі ж космологічні параметри в нашу епоху, як і модель Великого вибуху.

5. У 1927 р бельгійський абат і вчений Ж. Леметр пов'язав «розширення» простору з даними астрономічних спостережень. Леметр ввів поняття початку Всесвіту як сингулярності (тобто. Е. Надщільного стану) і народження Всесвіту як Великого вибуху. На основі модифікованої ейнштейнівською теорії Ж.Леметр в 1925 побудував космологічних моделях, що об'єднує Великий вибух з тривалою фазою спокійного стану, протягом якої могли формуватися галактики. Ейнштейн зацікавився цією можливістю, щоб обгрунтувати свою улюблену космологічних моделях статичної Всесвіту, але коли було відкрито розширення Всесвіту, він публічно відмовився від неї.

ΛCDM (читається «Лямбда-СіДіЕм») - скорочення від Lambda-Cold Dark Matter, сучасна стандартна космологічна модель, в якій просторово-плоска Всесвіт заповнена, крім звичайної баріонів матерії, темної енергії (описуваної космологічної постійної Λ вуравненіях Ейнштейна) і холодної темною матерією (англ. Cold Dark Matter). Відповідно до цієї моделі вік Всесвіту дорівнює мільярдів років.

Оскільки середня щільність речовини у Всесвіті невідома, то сьогодні ми не знаємо, в якому з цих просторів Всесвіту ми живемо.

У 1929 році американський астроном Е. П. Хаббл виявив існування дивної залежності між відстанню і швидкістю галактик: всі галактики рухаються від нас, причому зі швидкістю, яка зростає пропорційно відстані, - система галактик розширюється.

Розширення Всесвіту вважається науково встановленим фактом. Згідно з теоретичними розрахунками Ж. Леметра, радіус Всесвіту в первісному стані був 10-12 см, що близько за розмірами до радіуса електрона, а її щільність становила тисячі дев'яносто шість г / см3. У сингулярному стані Всесвіт представляв собою мікрооб'єкт мізерно малих розмірів. Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшла до розширення в результаті Великого вибуху.

Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-20 млрд. Років. Г. А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур. У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюцію Всесвіту ділять на «ери»

При оцінці грандіозності масштабів Всесвіту завжди виникає класичний філософське питання: кінцева або нескінченна Всесвіт? Поняттям нескінченності оперують в основному математики і філософи. Фізики-експериментатори, що володіють експериментальними методами і технікою вимірювань, отримують завжди кінцеві значення виміряних величин. Величезне значення науки і особливо сучасної фізики полягає в тому, що до теперішнього часу вже отримані багато кількісні характеристики об'єктів не тільки макро- і мікросвіту, а й мегамира.

Просторові масштаби нашого Всесвіту і розміри основних матеріальних утворень, в тому числі і мікрооб'єктів, можна уявити з наступній таблиці, де розміри дані в метрах (для простоти наведені лише порядки чисел, т. Е. Наближені числа в межах одного порядку):

Радіус космологічного горизонту

або видимої нами Всесвіту 10 26

Діаметр нашої Галактики 10 21

Відстань від Землі до Сонця 10 11

Діаметр Сонця 10 9

Розмір людини 10 0

Довжина хвиль видимого світла 10 -6 - 10 -8

Розмір вірусів 10 -6 -10 -8

Діаметр атома водню 10 -10

Діаметр атомного ядра 10 -15

Мінімальна відстань,

доступне сьогодні нашими вимірами 10 -18

З цих даних видно, що відношення найбільшого до самого малого розміру, доступному сьогоднішнього експерименту, становить 44 порядку. З розвитком науки дане відношення постійно зростала і буде зростати в міру накопичення нових знань про навколишній світ. Адже «світ наш - тільки школа, де ми вчимося пізнавати», - так сказав французький філософ-гуманіст Мішель Монтень (1533 +1592).

Всесвіту на самих різних рівнях, від умовно елементарних частинок і до гігантських сверхскоплений галактик, властива структурність. Сучасна структура Всесвіту є результатом космічної еволюції, в ході якої з протогалактик утворилися галактики, з протозвезд - зірки, з протопланетної хмари - планети.

1.3 Модель гарячого вибуху

Згідно космологічної моделі Фрідмана - Леметра, Всесвіт виник в момент Великого вибуху - близько 20 млрд. Років тому, і її розширення триває досі, поступово сповільняться. В першу мить вибуху матерія Всесвіту мала нескінченні щільність і температуру; такий стан називають сингулярність. Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація не є реальною силою, а є викривлення простору-часу: чим більше щільність матерії, тим сильніше викривлення. У момент початкової сингулярності викривлення теж було нескінченним. Можна висловити нескінченну кривизну простору-часу іншими словами, сказавши, що в початковий момент матерія і простір одночасно вибухнули всюди у Всесвіті. У міру збільшення обсягу простору Всесвіту щільність матерії в ній падає.

С.Хокинг і Р.Пенроуз довели, що в минулому неодмінно було сингулярне стан, якщо загальна теорія відносності застосовна для опису фізичних процесів в дуже ранньому Всесвіті. Щоб уникнути катастрофічної сингулярності в минулому, потрібно істотно змінити фізику, наприклад, припустивши можливість самовільного безперервного народження матерії, як в теорії стаціонарного Всесвіту. Але астрономічні спостереження не дають для цього ніяких підстав. Чим більш ранні події ми розглядаємо, тим менше був їх просторовий масштаб; в міру наближення до початку розширення горизонт спостерігача стискається (рис. 1).

Мал. 1. Ілюстрація моделей великого вибуху

У найперші миті масштаб такий малий, що ми вже не в праві застосовувати загальну теорію відносності: для опису явищ в таких малих масштабах потрібно квантова механіка. Але квантової теорії гравітації поки не існує, тому ніхто не знає, як розвивалися події до моменту 10-43 с, званого Планка часом (в честь батька квантової теорії). В той момент щільність матерії досягала неймовірного значення 1090 кг / см 3, яке не можна порівняти не тільки з щільністю оточуючих нас тіл (менше 10 г / см 3), але навіть з щільністю атомного ядра (близько 1012 кг / см 3) - найбільшою щільністю , доступною в лабораторії. Тому для сучасної фізики початком розширення Всесвіту служить час планка.

Моделі великого вибуху представлені трьома найважливішими типами: стандартної відкритою моделлю, стандартної замкнутої і моделлю Леметра. По горизонталі відкладено час, по вертикалі - відстань між будь-якими двома досить віддаленими одна від одної (щоб виключити їх взаємодія) галактиками. Гуртком відзначена наша епоха. Якби Всесвіт завжди розширювалася з нинішньої швидкістю, вираженої постійної Хаббла Н, то це почалося б близько 20 млрд. Років тому і відбувалося так, як показано діагональним пунктиром. Якщо розширення сповільнюється, як у відкритій моделі просторово безмежного світу або в замкнутій моделі обмеженого світу, то вік Всесвіту менше, ніж 1 / Н. Найменший вік у замкнутій моделі, розширення якої швидко сповільнюється і змінюється стисненням. Модель Леметра описує Всесвіт, вік якої значно більше, ніж 1 / Н, оскільки в її історії є тривалий період, коли розширення майже не відбувалося. Модель Леметра і відкрита модель описують Всесвіт, яка завжди буде розширюватися.

Ось за таких умов неможливе високої температури і щільності відбулося народження Всесвіту. Причому це могло бути народженням в прямому сенсі: деякі космологи (скажімо, Я.Б.Зельдович в СРСР і Л.Паркер в США) вважали, що частинки і гамма-фотони були народжені в ту епоху гравітаційним полем. З точки зору фізики, цей процес міг відбутися, якщо сингулярність була анизотропной, тобто гравітаційне поле було неоднорідним. В цьому випадку приливні гравітаційні сили могли «витягнути» з вакууму реальні частки, створивши, таким чином, речовина Всесвіту. Вивчаючи процеси, що відбувалися відразу після Великого вибуху, ми розуміємо, що наші фізичні теорії ще дуже недосконалі. Теплова еволюція ранньому Всесвіті залежить від народження масивних елементарних частинок - адронів, про яких ядерна фізика знає ще мало. Багато з цих частинок нестабільні і короткоживучі.

Швейцарський фізик Р.Хагедорн вважає, що може існувати безліч адронів зростаючих мас, які в достатку могли формуватися при температурі близько 10 12 До, коли гігантська щільність випромінювання приводила до народження адронних пар, що складаються з частинки і античастинки. Цей процес мав би обмежити зростання температури в минулому. Відповідно до іншої точки зору, кількість типів масивних елементарних частинок обмежена, тому температура і щільність в період адронной ери мали досягати нескінченних значень. В принципі це можна було б перевірити: якби складові адронів - кварки - були стабільними частинками, то деяку кількість кварків і антикварків мало зберегтися від тієї гарячої епохи. Але пошук кварків виявився марним; швидше за все, вони нестабільні.

Після першої мілісекунди розширення Всесвіту сильне (ядерне) взаємодія перестало грати в ній визначальну роль: температура знизилася настільки, що атомні ядра перестали руйнуватися. Подальші фізичні процеси визначалися слабкою взаємодією, відповідальним за народження легких частинок - лептонів (тобто електронів, позитронів, мезонів і нейтрино) під дією теплового випромінювання. Коли в ході розширення температура випромінювання знизилася приблизно до 10 10 К, лептонні пари перестали народжуватися, майже всі позитрони і електрони аннигилировали; залишилися лише нейтрино і антинейтрино, фотони і трохи збережених з попередньої епохи протонів і нейтронів. Так завершилася Лептонний ера. Наступна фаза розширення - фотонна ера - характеризується абсолютним переважанням теплового випромінювання. На кожен зберігся протон або електрон доводиться по мільярду фотонів. Спочатку це були гамма-кванти, але в міру розширення Всесвіту вони втрачали енергію і ставали рентгенівськими, ультрафіолетовими, оптичними, інфрачервоними і, нарешті, зараз стали радіоквантамі, які ми приймаємо як чернотельное фонове (реліктове) радіовипромінювання.

1.4 Невирішені проблеми космології Великого вибуху

Можна відзначити 4 проблеми, що стоять зараз перед космологічної моделлю Великого вибуху.

1. Проблема сингулярності: багато хто сумнівається в застосовності загальної теорії відносності, що дає сингулярність в минулому. Пропонуються альтернативні космологічні теорії, вільні від сингулярності.

2. Тісно пов'язана з сингулярностью проблема изотропности Всесвіту. Здається дивним, що почалося з сингулярного стану розширення виявилося настільки ізотропним. Не виключено, правда, що анізотропне спочатку розширення поступово стало ізотропним під дією дисипативних сил.

3. Однорідна на найбільших масштабах, на менших масштабах Всесвіт досить неоднорідна (галактики, скупчення галактик). Важко зрозуміти, як одна лише гравітація могла привести до появи такої структури. Тому космологи вивчають можливості неоднорідних моделей Великого вибуху.

4. Нарешті, можна запитати, яке майбутнє Всесвіту? Для відповіді необхідно знати середню щільність матерії у Всесвіті. Якщо вона перевершує деяке критичне значення, то геометрія простору-часу замкнута, і в майбутньому Всесвіт неодмінно стиснеться. Замкнута Всесвіт не має меж, але її обсяг кінцевий. Якщо щільність нижче критичної, то Всесвіт відкрита і буде розширюватися вічно. Відкрита Всесвіт нескінченний і має тільки одну сингулярність спочатку. Поки спостереження краще узгоджуються з моделлю відкритої Всесвіту. Походження великомасштабної структури. У космологов на цю проблему є дві протилежні точки зору. Найбільш радикальна полягає в тому, що спочатку був хаос. Розширення ранньому Всесвіті відбувалося вкрай анізотропно і неоднорідне, але потім дисипативні процеси згладили анизотропию і наблизили розширення до моделі Фрідмана - Леметра. Доля неоднорідностей вельми цікава: якщо їх амплітуда була великою, то неминуче вони повинні були коллапсировать в чорні діри з масою, яка визначається поточним горизонтом. Їх формування могло початися прямо з планковского часу, так що у Всесвіті могло бути безліч дрібних чорних дір з масами до 10-5 м Однак С.Хокинг показав, що «міні-діри» повинні, випромінюючи, втрачати свою масу, і до нашої епохи могли зберегтися тільки чорні діри з масами більше 10 16 г, що відповідає масі невеликої гори.

Первинний хаос міг утримувати обурення будь-якого масштабу і амплітуди; найбільші з них у вигляді звукових хвиль могли зберегтися від епохи раннього Всесвіту до ери випромінювання, коли речовина була ще досить гарячим, щоб випускати, поглинати і розсіювати випромінювання. Але з закінченням цієї ери остившая плазма рекомбинированного і перестала взаємодіяти з випромінюванням. Тиск і швидкість звуку в газі впали, внаслідок чого звукові хвилі перетворилися в ударні хвилі, що стискають газ і змушують його коллапсировать в галактики і їх скупчення. Залежно від типу вихідних хвиль розрахунки пророкують досить різну картину, далеко не завжди відповідає що спостерігається. Для вибору між можливими варіантами космологічних моделей важливою є одна філософська ідея, відома як антропний принцип: з самого початку Всесвіт повинна була мати такі властивості, які дозволили сформуватися в ній галактик, зірок, планет і розумного життя на них. Інакше не було б кому займатися космологією. Альтернативна точка зору полягає в тому, що про вихідну структуру Всесвіту можна дізнатися не більше того, що дають спостереження. Згідно з цим консервативному підходу, не можна вважати юну Всесвіт хаотичної, оскільки зараз вона дуже изотропна і однорідна. Ті відхилення від однорідності, які ми спостерігаємо у вигляді галактик, могли вирости під дією гравітації з невеликих початкових неоднорідностей густини. Однак дослідження великомасштабного розподілу галактик (в основному проведені Дж.Піблсом в Прінстоні), здається, не підтверджують цю ідею. Інша цікава можливість полягає в тому, що скупчення чорних дір, які народилися в адроннийеру, могли стати вихідними флуктуаціями для формування галактик. Відкрита або замкнута Всесвіт? Найближчі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційною відстані; але більш далекі не підкоряються цієї залежності: їх рух вказує, що розширення Всесвіту з часом сповільнюється. У замкнутої моделі Всесвіту під дією тяжіння розширення в певний момент зупиняється і змінюється стисненням (рис. 2), але спостереження показують, що уповільнення галактик відбувається все ж не так швидко, щоб коли-небудь відбулася повна зупинка.

Горизонтальні лінії відзначають характерні моменти еволюції, а відсічені ними трикутники показують область Всесвіту, доступну спостерігачеві в цей момент. Чим більше часу пройшло від початку розширення, тим більша область стає доступною для спостереження. В даний час світ приходить до нас від зірок, квазарів і скупчень галактик, віддалених на мільярди світлових років, але в ранні епохи спостерігач міг бачити набагато меншу область Всесвіту. У різні епохи домінували різні форми матерії: хоча домінує речовина атомних ядер (нуклонів), до цього, коли Всесвіт був гарячою, домінувало випромінювання (фотони), а ще раніше - легкі елементарні частинки (лептони) і важкі (адрони).

Малюнок 2 - Стандартна модель великого вибуху: час відкладено по вертикалі, а відстані - по горизонталі.

Щоб Всесвіт була замкнута, середня щільність матерії в ній повинна перевищувати певний критичне значення. Оцінка щільності видимого і невидимого речовини вельми близька до цього значення. Розподіл галактик в просторі дуже неоднорідний. Наша Місцева група галактик, що включає Чумацький Шлях, Туманність Андромеди і кілька галактик поменше, лежить на периферії величезної системи галактик, відомої як Надскупчення в Діві (Virgo), центр якого збігається зі скупченням галактик Virgo. Якщо середня щільність світу велика і Всесвіт замкнута, то мало б спостерігатися сильне відхилення від ізотропного розширення, викликане тяжінням нашої і сусідніх галактик до центру Сверхскопления. У відкритій Всесвіту це відхилення незначно. Спостереження швидше узгоджуються з відкритою моделлю. Великий інтерес космологов викликає зміст в космічному речовині важкого ізотопу водню - дейтерію, який утворився в ході ядерних реакцій в перші миті після Великого вибуху. Зміст дейтерію виявилося надзвичайно чутливе до щільності речовини в ту епоху, а отже, і в нашу. Однак «дейтерієву тест» здійснити нелегко, бо потрібно досліджувати первинне речовина, що не побувало з моменту космологічного синтезу в надрах зірок, де дейтерій легко згоряє. Вивчення гранично далеких галактик показало, що вміст дейтерію відповідає низькій щільності матерії і, отже, відкритої моделі Всесвіту.

висновок

Космологічні моделі призводять до висновку, що доля Всесвіту залежить тільки від середньої щільності заповнює її речовини і від значення постійної Хаббла. Якщо середня щільність дорівнює або нижче деякої критичної щільності, розширення Всесвіту триватиме вічно. Якщо ж щільність виявиться вище критичної, то розширення рано чи пізно зупиниться і зміниться стисканням.

В цьому випадку Всесвіт звузиться до розмірів, які у неї були імовірно при виникненні, поступившись місцем явищу, названому Великим стисненням.

Перелічимо основні моделі Всесвіту: Модель де Ситтера: модель Всесвіту, запропонована в 1917 р, в якій не існує речовини або випромінювання. Ця нереалістична гіпотеза мала, проте, історично важливе значення, оскільки в ній вперше висувалася ідея про розширення, а не статичного Всесвіту; Модель Леметра: Модель всесвіту, яка починається з Великого вибуху, сменяющегося потім статичної фазою і подальшим нескінченним розширенням. Модель названа по імені Дж. Леметра (1894-1966),

Модель Всесвіту без використання загальної теорії відносності, запропонована в 1948 р Едвардом Милном (Edward Milne). Це розширюється, ізотропна і однорідна Всесвіт. яка не містить речовини. Вона має негативну кривизну і незамкнута.

Модель Фрідмана: Модель Всесвіту, яка може коллапсировать всередину себе. У 1922 р радянський математик А. А. Фрідман (Alexander Friedmann, 1888-1925), аналізуючи рівняння загальної теорії відносності

Всесвіт Фрідмана може бути замкнутої, якщо щільність речовини в ній досить велика, щоб зупинити розширення. Цей факт привів до пошуку так званої відсутньої маси. Надалі висновки Фрідмана отримали підтвердження в астрономічних спостереженнях, які виявили в спектрах галактик так зване червоне зміщення спектральних ліній, що відповідає взаємному видалення цих зоряних систем.

Модель Ейнштейна-де Ситтера: Найпростіша з сучасних космологічних моделей, в якій Всесвіт має нульове тиск, нульову кривизну (тобто плоску геометрію) і нескінченну протяжність, а її розширення не обмежена в просторі і в часі. Запропонована в 1932 р, ця модель є окремим випадком (при нульовій кривизні) більш загальної всесвіту Фрідмана.

2. У чому суть процесів самоорганізації в живій і неживій природі?

Всі об'єкти живої і неживої природи можна представити у вигляді певних систем, що володіють конкретними особливостями і властивостями, що характеризують їх рівень організації. З урахуванням рівня організації можна розглядати ієрархію структур організації матеріальних об'єктів живої і неживої природи. Така ієрархія структур починається з елементарних частинок, що представляють собою початковий рівень організації матерії, і закінчується живими організаціями та спільнотами - вищими рівнями організації.

В даний час в області фундаментальної теоретичної фізики розробляються концепції, згідно з якими об'єктивно існуючий світ не вичерпується матеріальним світом, більш прийнятною нашими органами чуття або фізичними приладами. Автори даних концепцій прийшли до наступного висновку: поряд з матеріальним світом існує реальність вищого порядку, що володіє принципово інший природою в порівнянні з реальністю матеріального світу.

Вивчення матерії та її структурних рівнів є необхідною умовою формування світогляду, незалежно від того, чи виявиться воно в кінцевому рахунку матеріалістичним або ідеалістичним.

Досить очевидно, що дуже важлива роль визначення поняття матерії, розуміння останньої як невичерпної для побудови наукової картини світу, вирішення проблеми реальності і пізнаваності об'єктів і явищ мікро, макро і мега світів.

Під організацією системи будемо розуміти зміну структури системи, яке забезпечує узгоджена поведінка, або функціонування системи, яке визначається зовнішніми умовами.

Якщо під зміною організованості розуміти зміна способу сполуки (або зв'язки) підсистем, що утворюють систему, то явище самоорганізації можна визначити як таке неминуче зміна системи та її функцій, яке відбувається поза будь-яких додаткових впливів, внаслідок взаємодії системи з умовами існування і наближається до деякого щодо стійкого стану.

Під самоорганізацією будемо розуміти зміну структури, що забезпечує узгодженість поведінки завдяки наявності внутрішніх зв'язків і зв'язків з зовнішнім середовищем.

Самоорганізація - це природничо вираз процесу саморуху матерії. Здатністю до самоорганізації мають системи живої і неживої природи, а також штучні системи. Конкретна конфігурація структури існує тільки в суворо визначених умовах і в певний момент «руху» складної системи. Динаміка розвитку систем призводить до послідовного зміни їх структур.

Закономірна зміна структури системи відповідно історичних змін співвідношень із зовнішнім середовищем і називається еволюцією.
Зміна структури складної системи в процесі її взаємодії з навколишнім середовищем - це прояв властивості відкритості як зростання можливостей виходу до нового. З іншого боку, зміна структури складної системи забезпечує розширення життєвих умов, пов'язане з ускладненням організації і підвищенням життєдіяльності, тобто придбанням пристосувань загальнішого значення, дозволяють налагодити зв'язки з новими сторонами зовнішнього середовища.

Самоорганізація характеризується виникненням внутрішньо узгодженого функціонування за рахунок внутрішніх зв'язків і зв'язків із зовнішнім середовищем. Причому поняття функція і структура системи тісно взаємопов'язані; система організується, тобто змінює структуру заради виконання функції.

Структурність і системна організація матерії відносяться до числа її найважливіших атрибутів, висловлюють впорядкованість існування матерії і ті конкретні форми, в яких вона проявляється.

Під структурою матерії зазвичай розуміють її будова в макросвіті, тобто існування у вигляді молекул, атомів, елементарних частинок і т.д. Це пов'язано з тим, що людина є макроскопічними істотою і для нього звичними є макроскопічні масштаби, тому поняття структури асоціюється зазвичай з різними мікрооб'єктами.

Але якщо розглядати матерію в цілому, то поняття структури матерії буде охоплювати також макроскопічні тіла, всі космічні системи мегамира, причому в будь-яких як завгодно великих просторово-часових масштабах. З цієї точки зору, поняття «структура» проявляється в тому, що вона існує у вигляді нескінченного різноманіття цілісних систем, тісно взаємопов'язаних між собою, а також в упорядкованості будови кожної системи. Така структура нескінченна в кількісному і якісному відносинах.

Проявами структурної нескінченності матерії виступають:

- невичерпність об'єктів і процесів мікросвіту;

- нескінченність простору і часу;

- нескінченність змін і розвитку процесів.

З усього різноманіття форм об'єктивної реальності емпірично доступної завжди залишається лише кінцева область матеріального світу, яка нині тягнеться в масштабах від 10 -15 до 10 28 см, а в часі - до 2 × 10 9 років.

Структурність і системна організація матерії відносяться до числа найважливіших її атрибутів. Вони висловлюють впорядкованість існування матерії і ті її конкретні форми, в яких вона проявляється.

Матеріальний світ єдиний: ми маємо на увазі, що всі його частини - від неживих предметів до живих істот, від небесних тіл до людини як члена суспільства - так чи інакше пов'язані.

Системою є те, що певним чином пов'язано між собою і підпорядковане відповідним законам.

Системи бувають об'єктивно існуючі і теоретичні, або концептуальні, тобто що існують лише в свідомості людини.

Система - це внутрішня або зовнішня впорядкована множина взаємопов'язаних і взаємодіючих елементів.

Впорядкованість безлічі має на увазі наявність закономірних відносин між елементами системи, яке проявляється у вигляді законів структурної організації. Внутрішня впорядкованість є у всіх природних систем, що виникають в результаті взаємодії тіл і природного саморозвитку матерії. Зовнішня характерна для створених людиною штучних систем: технічних, виробничих, концептуальних і т.п.

Структурні рівні матерії утворені з певної множини об'єктів будь-якого класу і характеризуються особливим типом взаємодії між складовими їх елементами.

Критерієм для виділення різних структурних рівнів служать наступні ознаки:

- просторово-часові масштаби;

- сукупність найважливіших властивостей;

- специфічні закони руху;

- ступінь відносної складності, виникає в процесі історичного розвитку матерії в даній області світу;

- деякі інші ознаки.

Відомі в даний час структурні рівні матерії можуть бути виділені з перерахованих вище ознаками в наступні області.

1. Мікросвіт. Сюди відносяться:

- частки елементарні і ядра атомів - область близько 10 - 15 см;

- атоми і молекули 10 -8 -10 -7 см.

Мікросвіт - це молекули, атоми, елементарні частинки - світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаються мікрооб'єктів, просторова разномерность яких обчислюється від 10 -8 до 10 -16 см, а час життя - від нескінченності до 10 -24 с.

2. Макросвіт: макроскопічні тіла 10 -6 -10 7 см.

Макросвіт - світ стійких форм і пропорційних людині величин, а також кристалічні комплекси молекул, організми, співтовариства організмів; світ макрооб'єктів, розмірність яких співвідносна з масштабами людського досвіду: просторові величини виражаються в міліметрах, сантиметрах і кілометрах, а час - у секундах, хвилинах, годинах, роках.

Мегамир - це планети, зоряні комплекси, галактики, метагалактики - світ величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якому вимірюється світловими роками, а час існування космічних об'єктів - мільйонами і мільярдами років.

І хоча на цих рівнях діють свої специфічні закономірності, мікро-, макро - і мегасвіті найтіснішим чином пов'язані між собою.

3. Мегамир: космічні системи і необмежені масштаби до 1028 см.

Різні рівні матерії характеризуються різними типами зв'язків.

У масштабах 10-13 см - сильні взаємодії, цілісність ядра забезпечується ядерними силами.


Цілісність атомів, молекул, макротел забезпечують електромагнітні сили.


1. У космічних масштабах - гравітаційні сили.
   

   Зі збільшенням розмірів об'єктів зменшується енергія взаємодії. Якщо прийняти енергію гравітаційного взаємодії за одиницю, то електромагнітне взаємодія в атомі буде в 1039 більше, а взаємодія між нуклонами - складовими ядро \u200b\u200bчастинками - в 1041 разів більше. Чим менше розміри матеріальних систем, тим міцніше пов'язані між собою їх елементи.
   

   Розподіл матерії на структурні рівні носить відносний характер. У доступних просторово-часових масштабах структурність матерії виявляється в її системної організації, існування у вигляді безлічі ієрархічно взаємодіючих систем, починаючи від елементарних частинок і кінчаючи Метагалактикою.
   

   Говорячи про структурності - внутрішньої розчленованості матеріального буття, можна відзначити, що як би не був широкий діапазон світобачення науки, він тісно пов'язаний з виявленням все нових і нових структурних утворень. Наприклад, якщо раніше погляд на Всесвіт замикався Галактикою, потім розширився до системи галактик, то тепер вивчається Метагалактика як особлива система зі специфічними законами, внутрішніми і зовнішніми взаємодіями.
   

   У сучасній науці широко використовується метод структурного аналізу, при якому враховується системність досліджуваних об'єктів. Адже структурність - це внутрішня розчленованість матеріального буття, спосіб існування матерії. Структурні рівні матерії утворені з певної множини об'єктів будь-якого виду і характеризуються особливим способом взаємодії між складовими їх елементами, стосовно до трьох основних сфер об'єктивної дійсності ці рівні виглядають наступним чином (табл.).
   

   Таблиця - Структурні рівні матерії
   

   неорганічна природа	Жива природа	Суспільство
   Субмікроеле-плементарним	біологічний макромолекулярний	індивід
   мікроелементарну	клітинний	родина
   ядерний	мікроорганічних	колективи
   атомарний	Органи і тканини	Великі соціальні групи (класи, нації)
   молекулярний	Організм в цілому	Держава (громадянське суспільство)
   макрорівень	популяції	системи держав
   Мегауровень (планети, зоряно-планетні системи, галактики)	біоценоз	Людство в цілому
   Мегауровень (метагалактики)	біосфера	Ноосфера

   Кожна з сфер об'єктивної дійсності включає в себе ряд взаємопов'язаних структурних рівнів. Усередині цих рівнів домінуючими є координаційні відносини, а між рівнями - субординаційні.
   

   Системне дослідження матеріальних об'єктів припускає не тільки встановлення способів опису відносин, зв'язків і структури безлічі елементів, але і виділення тих з них, які є системоутворюючими, тобто забезпечують відособлене функціонування і розвиток системи. Системний підхід до матеріальних утворень припускає можливість розуміння даної системи більш високого рівня. Для системи зазвичай характерна ієрархічність будови, тобто послідовне включення системи нижчого рівня в систему більш високого рівня.
   

   Таким чином, в структуру матерії на рівні неживої природи (неорганічної) входять елементарні частинки, атоми, молекули (об'єкти мікросвіту, макротела і об'єкти мегамира: планети, галактики, системи метагалактик і т.д.). Метагалактику часто ототожнюють з усією Всесвіту, але Всесвіт розуміється в гранично широкому сенсі цього слова, вона тотожна всьому матеріального світу і рухається матерії, яка може включати в себе безліч метагалактик і інших космічних систем.
   

   Жива природа також структурована. У ній виділені рівень біологічний і рівень соціальний. Біологічний рівень включає підрівні:
   

   - макромолекул ( нуклеїнові кислоти, ДНК, РНК, білки);
   

   - клітинний рівень;
   

   - мікроорганічних (одноклітинні організми);
   

   - органів і тканин організму в цілому;
   

   - популяційний;
   

   - біоценозний;
   

   - біосферний.
   

   Основними поняттями даного рівня на останніх трьох подуровнях є поняття біотоп, біоценоз, біосфера, що вимагають пояснення.
   

   Біотоп - сукупність (співтовариство) особин одного і того ж виду (наприклад, зграя вовків), які можуть схрещуватися і відтворювати собі подібних (популяції).
   

   Біоценоз - сукупність популяцій організмів, при яких продукти життєдіяльності одних є умовами існування інших організмів, що населяють ділянку суші або води.
   

   Біосфера - глобальна система життя, та частина географічного середовища (нижня частина атмосфери, верхня частина літосфери і гідросфери), яка є місцем існування живих організмів, забезпечуючи необхідні для їх виживання умови (температуру, грунт і т.п.), утворена в результаті взаємодії біоценозів.
   

   Загальна основа життя на біологічному рівні - органічний метаболізм (обмін речовиною, енергією та інформацією з навколишнім середовищем) - проявляється на будь-якому з виділених підрівнів:
   

   - на рівні організмів обмін речовин означає асиміляцію і дисиміляцію при посередництві внутрішньоклітинних перетворень;
   

   - на рівні екосистем (біоценозу) він складається з ланцюга перетворень речовини, спочатку асимільованого організмами-виробниками при посередництві організмів-споживачів і організмів-руйнівників, що відносяться до різних видів;
   

   - на рівні біосфери відбувається глобальний кругообіг речовини і енергії при безпосередньому долі факторів космічного масштабу.
   

   На певному етапі розвитку біосфери виникають особливі популяції живих істот, які, завдяки своїй здатності до праці утворили своєрідний рівень - соціальний. Соціальна дійсність в структурному аспекті розділяється на підрівні: індивідів, сім'ї, різних колективів (виробничих), соціальних груп і т.д.
   

   Структурний рівень соціальної діяльності перебуває в неоднозначно-лінійних зв'язках між собою (наприклад, рівень націй і рівень держав). Переплетення різних рівнів в рамках суспільства породжує уявлення про панування випадковості і хаотичності в соціальній діяльності. Але уважний аналіз виявляє наявність в ньому фундаментальних структур - головних сфер суспільного життя, якими є матеріально-виробнича, соціальна, політична, духовна сфери, що мають свої закони і структури. Всі вони в певному сенсі субординований в складі суспільно-економічної формації, глибоко структуровані і обумовлюють генетичну єдність суспільного розвитку в цілому.
   

   Таким чином, будь-яка з трьох областей матеріальної дійсності утворюється з ряду специфічних структурних рівнів, які знаходяться в строгій впорядкованості в складі тієї чи іншої області дійсності.
   

   Перехід від однієї області до іншої пов'язаний з ускладненням і збільшенням кількості утворених чинників, що забезпечують цілісність систем. Усередині кожного з структурних рівнів існують відносини субординації (молекулярний рівень включає атомарний, а не навпаки). Закономірності нових рівнів несвідомих до закономірностям рівнів, на базі яких вони виникли, і є провідними для даного рівня організації матерії. Структурна організація, тобто системність, є способом існування матерії.
   

   Гіпотеза багатолисті моделі Всесвіту

   Передмова автора сайту: увазі читачів сайту "Знання-сила" пропонуються фрагменти з 29-го розділу книги Андрія Дмитровича Сахарова «Спогади». Академік Сахаров розповідає про роботи в області космології, які він вів вже після того, як почав активно займатися правозахисною діяльністю - зокрема, в горьковской посиланням. Цей матеріал представляє безперечний інтерес по темі "Всесвіт", обговорюваної в цьому розділі нашого сайту. Ми познайомимося з гіпотезою багатолисті моделі Всесвіту і іншими проблемами космології і фізики. ... І, звичайно ж, згадаймо наше недавнє трагічне минуле.

   Академік Андрій Дмитрович Сахаров (1921-1989).

   У Москві в 70-і роки і в Горькому я продовжував спроби займатися фізикою і космологією. Мені в ці роки не вдалося висунути істотно нових ідей, і я продовжував розробляти ті напрямки, які вже були представлені в моїх роботах 60-х років (і описані в першій частині цієї книги). Ймовірно, це доля більшості вчених після досягнення ними певного граничного для них віку. Втім, я не втрачаю надії, що і мені, можливо, щось ще «блисне». При цьому я повинен сказати, що і просто спостереження за науковим процесом, в якому сам не береш участі, але знаєш, що до чого, - доставляє глибоку внутрішню радість. У цьому сенсі я «не жадібний».

   У 1974 році я зробив, а в 1975 році опублікував роботу, в якій розвивав ідею нульового лагранжиана гравітаційного поля, а також ті методи розрахунку, які я застосовував в попередніх роботах. При цьому виявилося, що я прийшов до методу, багато років тому запропонованому Володимиром Олександровичем Фоком, а потім - Юліаном Швінгера. Однак мій висновок і сам шлях побудови, методи були зовсім іншими. На жаль, я не зміг послати своєї роботи Фоку - він якраз тоді помер.

   Згодом я виявив в своїй статті деякі помилки. У ній залишився нез'ясованим до кінця питання, чи дає «индуцированная гравітація» (сучасний термін, який застосовується замість терміна «нульовий лагранжіан») правильний знак гравітаційної постійної в будь-яких варіантах, які я розглядав.<...>

   Три роботи - одна опублікована до моєї висилки і дві після висилки - присвячені космологічним проблем. У першій роботі я обговорюю механізми виникнення баріонів асиметрії. Певний інтерес, бути може, представляють загальні міркування про кінетиці реакцій, що призводять до баріонів асиметрії Всесвіту. Однак конкретно в цій роботі я веду міркування в рамках свого старого припущення про наявність «комбінованого» закону збереження (зберігається сума чисел кварків і лептонів). Я вже писав в першій частині спогадів, як я прийшов до цієї ідеї і чому я вважаю її зараз неправильною. В цілому ця частина роботи я вважаю невдалою. Набагато більше мені подобається та частина роботи, де я пишу про багатолисті моделі Всесвіту . Мова йде про припущення, що космологічне розширення Всесвіту змінюється стисненням, потім новим розширенням таким чином, що цикли стиснення - розширення повторюються нескінченне число разів. Такі космологічні моделі здавна привертали увагу. Різні автори називали їх «Пульсуючими» або «Осцилюючими» моделями Всесвіту. Мені більше подобається термін «Багатолисті модель» . Він здається більш виразним, більше відповідним емоційним і філософського змісту грандіозної картини багаторазового повторення циклів буття.

   До тих пір, поки припускали збереження, багатолисті модель зустрічалася, однак, з непереборною трудністю, наступної з одного з основних законів природи - другого закону термодинаміки.

   Відступ. У термодинаміки вводиться якась характеристика стану тіл, звана. Мій тато колись згадував про стару науково-популярній книзі, яка називалася «Цариця Миру і її тінь». (Я, на жаль, забув, хто автор цієї книги.) Цариця - це, звичайно, енергія, а тінь - ентропія. На відміну від енергії, для якої існує закон збереження, для ентропії другий початок термодинаміки встановлює закон зростання (точніше - неубиванія). Процеси, в яких сумарна ентропія тіл не змінюється, називаються (вважаються) оборотними. Приклад оборотного процесу - механічний рух без тертя. Зворотні процеси - абстракція, граничний випадок незворотних процесів, що супроводжуються збільшенням сумарної ентропії тіл (при терті, теплообміні і т.п.). Математично ентропія визначається як величина, приріст якої дорівнює притоку тепла, поділеній на абсолютну температуру (додатково приймається - точніше, випливає з загальних принципів, - що ентропія при абсолютному нулі температури і ентропія вакууму дорівнюють нулю).

   Числовий приклад для наочності. Якесь тіло, що має температуру 200 градусів, віддає при теплообміні 400 калорій другого тіла, що має температуру 100 градусів. Ентропія першого тіла зменшилася на 400/200, тобто на 2 одиниці, а ентропія другого тіла зросла на 4 одиниці; Сумарна ентропія зросла на 2 одиниці, відповідно до вимоги другого початку. Зауважимо, що цей результат є наслідком того факту, що тепло передається від більш гарячого тіла більш холодному.

   Зростання сумарної ентропії при нерівних процесах в кінцевому рахунку призводить до нагрівання речовини. Звернемося до космології, до багатолистий моделям. Якщо ми при цьому припускаємо число баріонів фіксованим, то ентропія, яка припадає на баріон, буде необмежено зростати. Речовина з кожним циклом буде необмежено нагріватися, тобто умови у Всесвіті не повторюватимуться!

   Труднощі усувається, якщо відмовитися від припущення про збереження баріонів заряду і вважати, відповідно до моєї ідеєю 1966 року і її подальшим розвитком багатьма іншими авторами, що баріонів заряд виникає з «ентропії» (тобто нейтрального гарячого речовини) на ранніх стадіях космологічного розширення Всесвіту. У цьому випадку число утворюються баріонів пропорційно ентропії на кожному циклі розширення - стиснення, тобто умови еволюції речовини, утворення структурних форм можуть бути приблизно однаковими в кожному циклі.

   Я вперше ввів термін «багатолисті модель» в роботі 1969 року. У своїх останніх статтях я вживаю той же термін в дещо іншому сенсі; я згадую тут про це, щоб уникнути непорозумінь.

   У першій з трьох останніх статей (1979 роки) розглянута модель, в якій простір в середньому передбачається плоским. Припущено також, що космологічна стала Ейнштейна не дорівнює нулю і негативна (хоча і дуже мала по абсолютній величині). У цьому випадку, як показують рівняння теорії тяжіння Ейнштейна, космологічне розширення неминуче змінюється стисненням. При цьому кожен цикл повністю повторює попередній за своїми середнім характеристикам. Істотно, що модель є просторово плоскою. Розгляду поряд з плоскою геометрією (геометрією Евкліда) також геометрії Лобачевського і геометрії гіперсфери (тривимірний аналог двовимірної сфери) присвячені дві наступні роботи. У цих випадках, однак, виникає ще одна проблема. Збільшення ентропії призводить до збільшення радіусу Всесвіту в відповідні моменти кожного циклу. Екстраполюючи в минуле, ми отримуємо, що кожному даного циклу могло передувати лише кінцеве число циклів.

   У «стандартної» (однолістной) космології існує проблема: що було до моменту максимальної щільності? У багатолистий космології (крім випадку просторово плоскою моделі) від цієї проблеми не вдається піти - питання переноситься до моменту початку розширення першого циклу. Можна стати на ту точку зору, що початок розширення першого циклу або, в разі стандартної моделі, єдиного циклу - це Момент Створення Світу, і тому питання про те, що було до цього, лежить за межами наукового дослідження. Однак, можливо, так само - або, по-моєму, більше - правомірний і плідний підхід, що допускає необмежену наукове дослідження матеріального світу і простору - часу. При цьому, мабуть, немає місця Акту Творіння, але основна релігійна концепція божественного сенсу Буття не зачіпається наукою, лежить за її межами.

   Мені відомі дві альтернативні гіпотези, що відносяться до обговорюваної проблеми. Одна з них, як мені здається, вперше висловлена \u200b\u200bмною в 1966 році і піддавалася ряду уточнень в наступних роботах. Це гіпотеза «повороту стріли часу». Вона тісно пов'язана з так званою проблемою оборотності.

   Як я вже писав, в природі не існує повністю оборотних процесів. Тертя, теплопередача, випромінювання світла, хімічні реакції, життєві процеси характеризуються необоротністю, разючим відмінністю минулого від майбутнього. Якщо зняти на плівку якийсь незворотний процес і потім пустити кінофільм в зворотну сторону, то ми побачимо на екрані те, що не може відбуватися в дійсності (наприклад, маховик, що обертається по інерції, збільшує швидкість свого обертання, а підшипники охолоджуються). Кількісно незворотність виражається в монотонному зростанні ентропії. Разом з тим входять до складу всіх тіл атоми, електрони, атомні ядра і т.п. рухаються за законами механіки (квантової, але це тут несуттєво), які мають повну оборотністю в часі (в квантової теорії поля - з одночасним СР-відображенням, см. в першій частині). Несиметрія двох напрямків часу (наявність «стріли часу», як кажуть) при симетрії рівнянь руху давно вже звернула на себе увагу творців статистичної механіки. Обговорення цього питання почалося ще в останні десятиліття минулого століття і проходило іноді досить бурхливо. Рішення, яке більш-менш влаштувало всіх, полягало в гіпотезі, що асиметрія обумовлена \u200b\u200bпочатковими умовами руху і положенням всіх атомів і полів «у нескінченно віддаленому минулому». Ці початкові умови повинні бути в деякому точно певному сенсі «випадковими».

   Як я припустив (в 1966 році і в більш явній формі - в 1980 році), в космологічних теоріях, що мають виділену точку за часом, слід відносити ці випадкові початкові умови не до нескінченно віддаленого минулого (t -\u003e - ∞), а до цієї виділеної точці (t \u003d 0).

   Тоді автоматично в цій точці ентропія має мінімальне значення, а при видаленні від неї в часі вперед або назад ентропія зростає. Це і є те, що я назвав «поворотом стріли часу». Так як при зверненні стріли часу звертаються всі процеси, в тому числі інформаційні (включаючи процеси життя), то ніяких парадоксів не виникає. Викладені вище ідеї про звернення стріли часу, наскільки я знаю, не отримали визнання в науковому світі. Але вони видаються мені цікавими.

   Поворот стріли часу відновлює в космологічної картині світу симетрію двох напрямків часу, властиву рівнянням руху!

   У 1966-1967 рр. я припустив, що в точці повороту стріли часу відбувається СРТ-відображення. Це припущення було однією з відправних точок моєї роботи по баріонів асиметрії. Тут я викладу іншу гіпотезу (Кіржніц, Лінде, Гут, Тернер і інші доклали руку; мені тут належить лише зауваження, що має місце поворот стріли часу).

   У сучасних теоріях передбачається, що вакуум може існувати в різних станах: стійкому, що володіє з великою точністю дорівнює нулю щільністю енергії; і нестійкому, що володіє величезною позитивною щільністю енергії (ефективної космологічної постійної). Останнє стан іноді називають «хибним вакуумом».

   Одне з рішень рівнянь загальної теорії відносності для таких теорій таке. Всесвіт замкнута, тобто в кожен момент є «гіперсферу» кінцевого обсягу (гіперсфера - тривимірний аналог двовимірної поверхні сфери, гіперсферу можна уявляти собі «вкладеної» в чотиривимірний евклідовское простір, так само як двовимірна сфера «вкладається» в тривимірний простір). Радіус гіперсфери має мінімальне кінцеве значення в певний момент часу (позначимо його t \u003d 0) і зростає при видаленні від цієї точки як вперед, так і назад по часу. Ентропія дорівнює нулю для помилкового вакууму (як і для будь-якого вакууму взагалі) і при видаленні від точки t \u003d 0 вперед або назад в часі зростає внаслідок розпаду помилкового вакууму, що переходить у стійкий стан істинного вакууму. Таким чином, в точці t \u003d 0 відбувається поворот стріли часу (але немає космологічної СРТ-симетрії, яка вимагає в точці відображення нескінченного стиснення). Так само, як у випадку СРТ-симетрії, все що зберігаються заряди тут теж дорівнюють нулю (по тривіальної причини - при t \u003d 0 вакуумне стан). Тому в цьому випадку також необхідно передбачити динамічне виникнення спостережуваної баріонів асиметрії, обумовлене порушенням СР-інваріантності.

   Альтернативна гіпотеза про передісторію Всесвіту полягає в тому, що насправді існує не одна Всесвіт і не дві (як - в деякому сенсі слова - в гіпотезі повороту стріли часу), а безліч кардинально відрізняються один від одного і що виникли з деякого «первинного» простору (або складових його частинок; це, можливо, просто інший спосіб вираження). Інші Всесвіти і первинне простір, якщо є сенс говорити про нього, можуть, зокрема, мати в порівнянні з «нашої» Всесвіту інше число «макроскопічних» просторових і часових вимірів - координат (в нашому Всесвіті - три просторових і один часовий вимір; в інших Всесвітів все може бути інакше!) Я прошу не звертати особливої \u200b\u200bуваги на укладену в лапки прикметник «макроскопічних». Воно пов'язане з гіпотезою «компактизации», згідно з якою більшість вимірів компактифицированного, тобто замкнуто саме на себе в дуже малих масштабах.

   
   Структура «Мега-Всесвіту»

   Передбачається, що між різними Всесвітами немає причинного зв'язку. Саме це виправдовує їх трактування як окремих Всесвітів. Я називаю цю грандіозну структуру «Мега-Всесвіт». Деякі автори обговорювали варіанти подібних гіпотез. Зокрема, гіпотезу багаторазового народження замкнутих (приблизно гіперсферичних) Всесвітів захищає в одній зі своїх робіт Я.Б. Зельдович.

   Ідеї \u200b\u200b«Мега-Всесвіту» надзвичайно цікаві. Бути може, істина лежить саме в цьому напрямку. Для мене в деяких з цих побудов є, однак, одна неясність кілька технічного характеру. Цілком допустимо припустити, що умови в різних областях простору зовсім різні. Але обов'язково закони природи повинні бути скрізь і завжди одними й тими ж. Природа не може бути схожою на Королеву в казці Керролла «Аліса в країні чудес», яка з власної волі змінювала правила гри в крокет. Буття не гра. Мої сумніви відносяться до тих гіпотез, які допускають розрив безперервності простору - часу. Чи допустимі такі процеси? Чи не є вони порушення в точках розриву саме законів природи, а не «умов буття»? Повторюю, я не впевнений, що це обґрунтовані побоювання; може, я знову, як в питанні про збереження числа ферміонів, виходжу з дуже вузької точки зору. Крім того, цілком мислимі гіпотези, де народження Всесвітів відбувається без порушення безперервності.

   Припущення, що спонтанно відбувається народження багатьох, а можливо, нескінченного числа відрізняються своїми параметрами Всесвітів і що Всесвіт, навколишнє нас, виділена серед безлічі світів саме умовою виникнення життя і розуму, отримало назву «антропного принципу» (АП). Зельдович пише, що перше відоме йому розгляд АП в контексті розширення Всесвіту належить Ідліс (1958 рік). У концепції багатолисті Всесвіту антропний принцип теж може грати роль, але для вибору між послідовними циклами або їх областями. Ця можливість розглядається в моїй роботі «багатолистий моделі Всесвіту». Одна з труднощів багатолистий моделей полягає в тому, що освіта «чорних дірок» і їх злиття настільки порушує симетрію на стадії стиснення, що абсолютно незрозуміло, чи придатні при цьому умови наступного циклу для освіти високоорганізованих структур. З іншого боку, в досить тривалих циклах відбуваються процеси розпаду баріонів і випаровування чорних дір, що призводять до вигладжуванням всіх неоднорідностей густини. Я припускаю, що сукупна дія цих двох механізмів - освіти чорних дір і вирівнювання неоднорідностей - призводить до того, що відбувається послідовна зміна більш «гладких» і більш «обурених» циклів. Нашому циклу, за припущенням, передував «гладкий» цикл, під час якого чорні діри не утворилися. Для визначеності можна розглядати замкнуту Всесвіту з «хибним» вакуумом в точці повороту стріли часу. Космологічна стала в цій моделі може вважатися рівною нулю, зміна розширення стисненням відбувається просто за рахунок взаємного тяжіння звичайної речовини. Тривалість циклів зростає внаслідок зростання ентропії при кожному циклі і перевершує будь-який заданий число (прямує до нескінченності), так що умови розпаду протонів і випаровування «чорних дір» виконуються.

   Багатолисті моделі дають відповідь на так званий парадокс великих чисел (інше можливе пояснення - в гіпотезі Гута та інших, що передбачає тривалу стадію «роздування», див. В главі 18).

   
   Планета на околиці далекого кульового зоряного скупчення. Художник © Don Dixon

   Чому загальне число протонів і фотонів у Всесвіті кінцевого обсягу так неосяжно велике, хоча і звичайно? І інша форма цього питання, що відноситься до «відкритого» варіанту, - чому таке велике число часток в тій області нескінченного світу Лобачевського, обсяг якої порядку А 3 (А - радіус кривизни)?

   Відповідь, який дається багатолисті моделлю, дуже простий. Передбачається, що з моменту t \u003d 0 пройшло вже багато циклів, під час кожного циклу збільшувалася ентропія (тобто число фотонів) і відповідно в кожному циклі генерувався все більший баріонів надлишок. Ставлення числа баріонів до числа фотонів в кожному циклі при цьому постійно, так як воно визначається динамікою початкових стадій розширення Всесвіту в даному циклі. Загальна кількість циклів з моменту t \u003d 0 якраз таке, що вийшло спостережуване число фотонів і баріонів. Так як зростання їх числа відбувається в геометричній прогресії, То для необхідного числа циклів ми отримаємо навіть не такі вже й велике значення.

   Побічним результатом моєї роботи 1982 року є формула для ймовірності гравітаційного злипання чорних дір (використана оцінка в книзі Зельдовича і Новикова).

   З багатолистий моделями пов'язана ще одна інтригуюча уяву можливість, вірніше - мрія. Може бути, високоорганізований розум, що розвивається мільярди мільярдів років протягом циклу, знаходить спосіб передати в закодованому вигляді якусь найціннішу частину наявної у нього інформації своїм спадкоємцям в наступних циклах, відокремлених від даного циклу в часі періодом надщільного стану? .. Аналогія - передача живими істотами від покоління до покоління генетичної інформації, «спресованої» і закодованої в хромосомах ядра заплідненої клітини. Ця можливість, звичайно, абсолютно фантастична, і я не наважився писати про неї в наукових статтях, Але на сторінках цієї книги дав собі волю. Але і незалежно від цієї мрії гіпотеза багатолисті моделі Всесвіту представляється мені важливою в світоглядному філософському плані.

   Шановні відвідувачі!

   У вас відключена робота JavaScript. Увімкніть будь ласка скрипти в браузері, і вам відкриється повний функціонал сайту!

   8.2. Розвиток уявлень про Всесвіт. моделі Всесвіту

   Історично уявлення про Всесвіт завжди розвивалися в рамках уявних моделей Всесвіту, починаючи з Древніх міфів. У міфології практично будь-якого народу значне місце займають міфи про Всесвіт - її походження, сутності, структурі, взаємозв'язках і можливі причини кінця.

   У більшості древніх міфів світ (Всесвіт) не вічний, він створений вищими силами з якоїсь першооснови (субстанції), зазвичай з води або з хаосу. Час в древніх космогонічних уявленнях найчастіше циклічно, тобто події народження, існування і загибелі Всесвіту слідують один за одним по колу, подібно всім об'єктам в природі. Всесвіт являє собою єдине ціле, всі її елементи пов'язані між собою, глибина цих зв'язків різна аж до можливих взаємоперетворення, події слідують один за одним, змінюючи один одного (зима і літо, день і ніч). Цей світовий порядок протиставляється хаосу. Простір світу обмежено. Вищі сили (іноді боги) виступають або творцями Всесвіту або хранителями світового порядку. Структура Всесвіту в міфах передбачає багатошаровість: поряд з виявленим (серединним) світом присутні верхній і нижній світи, вісь Всесвіту (часто у вигляді Світового древа або гори), центр світу - місце, наділене особливими сакральними властивостями, існує зв'язок між окремими шарами світу. Існування світу мислиться регресивно - від «золотого століття» до занепаду і загибелі. Людина в стародавніх міфах може бути аналогом всього Космосу (весь світ створений з гігантського істоти, подібної людині-велетневі), що зміцнює зв'язок людини і Всесвіту. У древніх моделях людина ніколи не займає центрального місця.

   У VI-V ст. до н.е. створюються перші натурфилософские моделі Всесвіту, найбільш розроблені в Стародавній Греції. Граничним поняттям в цих моделях виступає Космос як єдине ціле, прекрасне і закономірний. Питання, як утворився світ, доповнюється питанням, з чого влаштований світ, як він змінюється. Відповіді формулюються вже не образним, а абстрактним, філософською мовою. Час в моделях найчастіше носить ще циклічний характер, але простір - звичайно. Як субстанції виступають як окремі стихії (вода, повітря, вогонь - в Милетской школі і у Геракліта), суміш стихій, так і єдиний, неподільний нерухомий Космос (у елеатів), онтологі- зірованним число (у піфагорійців), неподільні структурні одиниці - атоми, що забезпечують єдність світу, - у Демокріта. Саме модель Всесвіту Демокріта нескінченна в просторі. Натурфілософи визначали статус космічних об'єктів - зірок і планет, відмінності між ними, їх роль і взаємне розташування у Всесвіті. У більшості моделей істотну роль грає рух. Космос побудований за єдиним законом - Логосу, цим же законом підпорядкований і людина - мікрокосм, зменшена копія Космосу.

   Розвиток пифагорейских поглядів, геометрізующіх Космос і вперше чітко представили його у вигляді сфери, що обертається навколо центрального вогню і їм же оточеного, отримало втілення в пізніх діалогах Платона. Логічною вершиною поглядів античності на Космос довгі століття вважалася модель Аристотеля, математично оброблена Птолемей. В дещо спрощеному вигляді ця модель, підтримувана авторитетом церкви, проіснувала близько 2 тис. Років. За Аристотелем, Всесвіт: про є всеосяжне ціле, що складається із сукупності всіх сприймаються тіл; про єдина в своєму роді;

   про просторово конечна, обмежена крайней небесною сферою,

   за нею ж «немає ні порожнечі, ні місця»; про вічна, безначальна і нескінченна в часі. При цьому Земля нерухома і знаходиться в центрі Всесвіту, земне і небесне (надлунний) абсолютно протилежні за своїм фізико-хімічним складом і характером руху.

   У Х1У-Х\u003e / 1 ст., В епоху Відродження, знову виникають натурфилософские моделі Всесвіту. Вони характеризуються, з одного боку, поверненням до широти і філософічності поглядів античності, а з іншого - суворою логікою і математикою, успадкованої від Середньовіччя. В результаті теоретичних досліджень Микола Кузанський, М. Коперник, Дж. Бруно пропонують моделі Всесвіту з нескінченним простором, незворотнім лінійним часом, геліоцентричної Сонячною системою і безліччю світів, подібних до неї. Г. Галілей, продовжуючи цю традицію, досліджував закони руху - властивість інерції і першим свідомо використовував уявні моделі (конструкти, пізніше стали основою теоретичної фізики), математичну мову, який він вважав універсальною мовою Всесвіту, поєднання емпіричних методів і теоретичної гіпотези, яку досвід повинен підтвердити або спростувати, і, нарешті, астрономічні спостереження за допомогою телескопа, значно розширили можливості науки.

   Г. Галілей, Р. Декарт, І. Кеплер заклали основи сучасних фізичних і космогонічних уявлень про світ, і на їх базі та на базі відкритих Ньютоном законів механіки в кінці XVII ст. склалася перша наукова космологічна модель Вселеннойполучівшая назву класичної ньютонівської. Відповідно до цієї моделі, Всесвіт: Про статична (стаціонарне), тобто в середньому незмінна в часі; Про однорідна - всі крапки її рівноправні; Про изотропна - рівноправні і всі напрямки; про вічна і просторово нескінченна, причому простір і час абсолютні - не залежать одне від одного і від рухомих мас; Про має відмінну від нуля щільність матерії; Про має структуру, цілком осягаємо на мові готівкової системи фізичного знання, що означає нескінченну екстраполіру- емость законів механіки, закону всесвітнього тяжіння, які є основними законами для руху всіх космічних тіл.

   Крім того, у Всесвіті можна застосувати принцип дальнодействия, тобто миттєве поширення сигналу; єдність Всесвіту забезпечується єдиною структурою - атомарним будовою речовини.

   Емпіричної базою даної моделі служили всі отримані в астрономічних спостереженнях дані, для їх обробки використовувався сучасний математичний апарат. Ця конструкція спиралася на детермінізм і матеріалізм раціоналістичної філософії Нового часу. Незважаючи на котрі виникли суперечності (фотометричний і гравітаційний парадокси - слідства екстраполяції моделі на нескінченність), світоглядна привабливість і логічна несуперечливість, а також евристичний потенціал робили ньютоновскую модель єдино прийнятною для космологов аж до XX ст.

   До необхідності перегляду поглядів на Всесвіт підштовхнули численні відкриття, зроблені в XIX і XX ст .: наявність тиску світла, подільність атома, дефект мас, модель будови атома, неплоскі геометрії Рімана і Лобачевського, однак тільки з появою теорії відносності стала можливою нова квантово-релятивістська модель Всесвіту.

   З рівнянь спеціальної (СТО, 1905 р) і загальної (ОТО, 1916 г.) теорії відносності А. Ейнштейна випливає, що простір і час пов'язані між собою в єдину метрику, залежать від рухомої матерії: при швидкостях, близьких до скоррсті світла, простір стискається, час розтягується, а поблизу компактних потужних мас простір-час викривляється, тим самим модель Всесвіту геометризований. Були навіть спроби представити весь Всесвіт як викривлене простір-час, вузли і дефекти якого інтерпретувалися як маси.

   Ейнштейн, вирішуючи рівняння для Всесвіту, отримав модель, обмежену в просторі і стаціонарну. Але для збереження стаціонарності йому треба було ввести в рішення додатковий лямбда-член, емпірично нічим не підкріплений, за своєю дією еквівалентний полю, протистоїть гравітації на космологічних відстанях. Однак в 1922-1924 рр. A.A. Фрідман запропонував інше рішення цих рівнянь, з якого витікала можливість отримання трьох різних моделей Всесвіту в залежності від щільності матерії, але всі три моделі були нестаціонарними (еволюціонують) - модель з розширенням, що змінюються стисненням, осцилююча модель і модель з нескінченним розширенням. У той час відмова від стаціонарності Всесвіту був воістину революційним кроком і сприймався вченими з великими труднощами, так як здавався таким, що суперечить всім усталеним науковим і філософським поглядам на природу, неминуче веде до креаціанізм.

   Перше експериментальне підтвердження нестаціонарності Всесвіту було отримано в 1929 р - Хаббл відкрив червоне зміщення в спектрах віддалених галактик, що, відповідно до ефекту Доплера, свідчило про розширення Всесвіту (таку інтерпретацію поділяли тоді далеко не всі космологи). У 1932- 1933 рр. бельгійський теоретик Ж. Лемегр запропонував модель Всесвіту з «гарячим початком», так званим «Великим вибухом». Але ще в 1940-і і в 1950-і рр. пропонувалися альтернативні моделі (З народженням частинок з з-поля, з вакууму), що зберігають стационарность Всесвіту.

   У 1964 р американські вчені - астрофізик А. Пензиас і радіоастроном К. Вільсон виявили однорідне ізотропне реліктове випромінювання, явно свідчить про «гарячому початку» Всесвіту. Ця модель стала домінуючою, була визнана більшістю космологів. Однак сама ця точка «початку», точка сингулярності народжувала безліч проблем і суперечок як з приводу механізму «Великого вибуху», так і тому, що поведінка системи (Всесвіту) поблизу неї не вдалося описати в рамках відомих наукових теорій (нескінченно великі температура і щільність повинні були поєднуватися з нескінченно малими розмірами). У XX ст. висувалося безліч моделей Всесвіту - від тих, які відкидали як основу теорію відносності, до тих, які змінювали в базовій моделі будь-якої фактор, наприклад «стільникове будову Всесвіту» або теорія струн. Так, для зняття протиріч, пов'язаних з сингулярностью, в 1980-1982 рр. американський астроном П. Стейнхарт і радянський астрофізик А. Лінде запропонували модифікацію моделі розширення Всесвіту - модель з інфляційної фазою (модель «роздувається Всесвіту»), в якій перші миті після «Великого вибуху» отримували нову інтерпретацію. Цю модель продовжували допрацьовувати і пізніше, вона знімала ряд істотних проблем і протиріч космології. Дослідження не припиняються і в наші дні: висунута групою японських вчених гіпотеза про походження первинних магнітних полів добре узгоджується з описаною вище моделлю і дозволяє сподіватися отримати нові знання про ранні стадії існування Всесвіту.

   Як об'єкт дослідження Всесвіт занадто складна, щоб вивчати її дедуктивно, можливість просуватися вперед в її пізнанні дають саме методи екстраполяції і моделювання. Однак ці методи вимагають точного дотримання всіх процедур (від постановки проблеми, вибору параметрів, ступеня подібності моделі і оригіналу до інтерпретації отриманих результатів), і навіть при ідеальному виконанні всіх вимог результати досліджень будуть носити принципово імовірнісний характер.

   Математизація знань, значно підсилює евристичні можливості багатьох методів, є загальною тенденцією науки XX ст. Не стала винятком і космологія: виникла різновид уявного моделювання - математичне моделювання, метод математичної гіпотези. Сутність його в тому, що спочатку вирішуються рівняння, а потім підшукується фізична інтерпретація отриманих рішень. Даний порядок дій, не характерний для науки минулого, має колосальний ев- рістнческім потенціалом. Саме цей метод привів Фрідмана до створення моделі розширення Всесвіту, саме таким шляхом було відкрито позитрон і скоєно ще багато важливих відкриттів в науці кінця XX в.

   Комп'ютерні моделі, в тому числі і при моделюванні Всесвіту, народжені розвитком комп'ютерної техніки. На їх основі доопрацьовані моделі Всесвіту з інфляційної фазою; на початку XXI ст. оброблені великі масиви інформації, отримані з космічного зонда, і створена модель розвитку Всесвіту з урахуванням «темної матерії» і «темної енергії».

   Згодом змінювалася трактування багатьох фундаментальних понять.

   Фізичний вакуум розуміється вже не як порожнеча, не як ефір, а як складний стан з потенційним (віртуальним) змістом матерії і енергії. При цьому виявлено, що відомі сучасній науці космічні тіла і поля складають незначний відсоток маси Всесвіту, а велика частина маси укладена в побічно виявляють себе «темної матерії» і «темної енергії». Дослідження останніх років показали, що значна частина цієї енергії діє на розширення, розтягування, розривання Всесвіту, що може привести до зафіксованому прискоренню розширення. У зв'язку з цим вимагає перегляду сценарій можливого майбутнього Вселенной.Категорія часу є однією з категорій, найбільш обговорюваних в космології. Більшість дослідників додає часу об'єктивний характер, але згідно з традицією, що йде від Августина і І. Канта, час і простір є формами нашого споглядання, тобто вони тлумачаться суб'єктивно. Час розглядається або як параметр, що не залежить від яких би то не було факторів (субстанціальна концепція, що йде від Демокріта і лежить в основі класичної ньютонівської моделі Всесвіту), або як параметр, пов'язаний зрушенням матерії (реляційна концепція, що йде від Аристотеля і стала основою квантово -релятівістской моделі Всесвіту). Найбільш поширена динамічна концепція, що представляє час рухається (кажуть про плин часу), але висувалася і протилежна концепція - статична. Час в різних моделях виступає або циклічним, або кінцевим, або нескінченним і лінійним. Сутність часу найчастіше пов'язують з причинністю. Обговорюються такі проблеми, як обгрунтування виділення справжнього моменту часу, його спрямованості, анізотропії, незворотності, універсальності часу, тобто при всіх чи станах Всесвіту існує час і чи завжди воно одновимірно або може мати іншу розмірність і навіть не існувати в певних умовах (наприклад, в точці сингулярності). Найменш розроблений питання про особливості часу в складних системах: біологічних, психічних, соціальних.

   При створенні моделей Всесвіту істотну роль грають деякі константи - гравітаційна стала, постійна Планка, швидкість світла, середня щільність матерії, число вимірів простору-часу. Досліджуючи ці константи, деякі космологи прийшли до висновку, що при інших значеннях цих констант у Всесвіті не існувало б складних форм матерії, не кажучи вже про життя і тим більше розумі.

   БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

   Євсюков В.В. Міфи про Всесвіт. Новосибірськ, 1988.

   Латипов H.H., Бейлін В.А., Верешко Г.М. Вакуум, елементарні частинки і Всесвіт. М., 2001..

   Лінде А.Д. Фізика елементарних частинок і інфляційна космологія. М., 1990..

   Надточаєв A.C. Філософія і наука в епоху античності. М., 1990..

   Новиков І.Д. Еволюція Всесвіту. М., 1990..

   Павленко О.М. Європейська космологія: підстави епістемологічного повороту. М., 1997..

   Хокінг С. Від великого вибуху до чорних дір. М., 1990..

   КОСМОЛОГІЯрозділ астрономії та астрофізики, що вивчає походження, великомасштабну структуру і еволюцію Всесвіту. Дані для космології в основному отримують з астрономічних спостережень. Для їх інтерпретації в даний час використовується загальна теорія відносності А. Ейнштейна (1915). Створення цієї теорії і проведення відповідних спостережень дозволило на початку 1920-х років поставити космологію в ряд точних наук, тоді як до цього вона скоріше була областю філософії. Зараз склалися дві космологічні школи: емпірики обмежуються інтерпретацією спостережних даних, які не екстраполюючи свої моделі в невивчені області; теоретики намагаються пояснити спостережувану Всесвіт, використовуючи деякі гіпотези, відібрані за принципом простоти і елегантності. Широкою популярністю користується зараз космологічна модель Великого вибуху, згідно з якою розширення Всесвіту почалося деякий час тому з дуже щільного та гарячого стану; обговорюється і стаціонарнамодель Всесвіту, в якій вона існує вічно і не має ні початку, ні кінця. космологічні ДАНІ

   Під космологическими даними розуміють результати експериментіві спостережень, що мають відношення до Всесвіту в цілому в широкому діапазоні простору і часу. Будь-яка мислима космологічна модель повинна задовольняти цим даним. Можна виділити 6 основних спостережних фактів, які повинна пояснити космологія:

   1. У великих масштабах Всесвіт однорідний і ізотропний, тобто галактики і їх скупчення розподілені в просторі рівномірно (однорідно), а їх рух хаотично і не має явно виділеного напрямку (изотропно). Принцип Коперника, «зрушивши Землю з центру світу», був узагальнений астрономами на Сонячну систему і нашу Галактику, які також виявилися цілком рядовими. Тому, виключаючи дрібні неоднорідності в розподілі галактик і їх скупчень, астрономи вважають Всесвіт такий же однорідної всюди, як і поблизу нас.

   2. Всесвіт розширюється. Галактики віддаляються один від одного.

   Це виявив американський астроном Е. Хаббл в 1929. Закон Хаббла свідчить: чим далі галактика, тим швидше вона віддаляється від нас.Але це не означає, що ми знаходимося в центрі Всесвіту: в будь-який іншій галактиці спостерігачі бачать те ж саме. За допомогою нових телескопів астрономи заглибилися у Всесвіт значно далі, ніж Хаббл, але його закон залишився вірним.

   3. Простір навколо Землі заповнене фоновим мікрохвильовим

   радіовипромінювання. Відкрите в 1965, воно стало, поряд з галактиками, головним об'єктом космології. Його важливою властивістю є висока изотропность (незалежність від напрямку), яка вказує на його зв'язок з далекими областями Всесвіту і підтверджує їх високу однорідність. Якби це було випромінювання нашої Галактики, то воно відображало б її структуру. Але експерименти на балонах і супутниках довели, що це випромінювання в надзвичайно однорідний і має спектр випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К. Очевидно, це реліктове випромінювання молодий і гарячого Всесвіту, сильно остигле в результаті її розширення.

   4. Вік Землі, метеоритів і найстаріших зірок небагато чим

   менше віку Всесвіту, обчисленого за швидкістю її розширення.Відповідно до закону Хаббла Всесвіт скрізь розширюється з однаковою швидкістю, яку називають постійної Хаббла Н. По ній можна оцінити вік Всесвіту як 1 / Н. сучасні виміри Н призводять до віку Всесвіту ок. 20 млрд. Років. Дослідження продуктів радіоактивного розпаду в метеоритах дають вік ок. 10 млрд. Років, а найстаріші зірки мають вік бл. 15 млрд. Років. До 1950 відстані до галактик недооцінювалися, що призводило до підвищеного значенням Н і малому віку Всесвіту, меншому віку Землі. Щоб вирішити це протиріччя, Г.Бонді, Т.Голд і Ф. Хойл в 1948 запропонували стаціонарну космологічних моделях, в якій вік Всесвіту нескінченний, а в міру її розширення народжується нова речовина.

   5. В спостережуваному Всесвіті, від близьких зірок до самих далеких галактик, на кожні 10 атомів водню доводиться 1 атом гелію. Здається неймовірним, щоб усюди місцеві умови були настільки однакові. Сильна сторона моделі Великого вибуху якраз в тому, що вона передбачає скрізь однакове співвідношення між гелієм і воднем.

   6. В областях Всесвіту, віддалених від нас в просторі і в часі, більше активних галактик і квазарів, ніж поруч з нами. Це вказує на еволюцію Всесвіту і суперечить теорії стаціонарного Всесвіту.

   космологічної моделі

   Будь-яка космологічна модель Всесвіту спирається на певну теорію гравітації. Таких теорій багато, але лише деякі з них задовольняють спостережуваним явищам. Теорія тяжіння Ньютона не задовольняє їм навіть в межах Сонячної системи. Краще за всіх узгоджується зі спостереженнями загальна теорія відносності Ейнштейна, на основі якої російський метеоролог А.Фридман в 1922 і бельгійський абат і математик Ж.Леметр в 1927 математично описали розширення Всесвіту. З космологічного принципу, постулює просторову однорідність і ізотропності світу, вони отримали модель Великого вибуху. Їх висновок підтвердився, коли Хаббл виявив зв'язок між відстанню і швидкістю розбігання галактик. Друге важливе пророкування цієї моделі, зроблене Г.Гамовим, стосувалося реліктового випромінювання, що спостерігається зараз як залишок епохи Великого вибуху. Інші космологічні моделі не можуть так само природно пояснити це изотропное фонове випромінювання.Гарячий Великий вибух. Згідно космологічної моделі Фрідмана Леметра, Всесвіт виник в момент Великого вибуху ок. 20 млрд. Років тому, і її розширення триває досі, поступово сповільняться. В першу мить вибуху матерія Всесвіту мала нескінченні щільність і температуру; такий стан називають сингулярність.

   Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація не є реальною силою, а є викривлення простору-часу: чим більше щільність матерії, тим сильніше викривлення. У момент початкової сингулярності викривлення теж було нескінченним. Можна висловити нескінченну кривизну простору-часу іншими словами, сказавши, що в початковий момент матерія і простір одночасно вибухнули всюди у Всесвіті. У міру збільшення обсягу простору Всесвіту щільність матерії в ній падає. С.Хокинг і Р.Пенроуз довели, що в минулому неодмінно було сингулярне стан, якщо загальна теорія відносності застосовна для опису фізичних процесів в дуже ранньому Всесвіті.

   Щоб уникнути катастрофічної сингулярності в минулому, потрібно істотно змінити фізику, наприклад, припустивши можливість самовільного безперервного народження матерії, як в теорії стаціонарного Всесвіту. Але астрономічні спостереження не дають для цього ніяких підстав.

   Чим більш ранні події ми розглядаємо, тим менше був їх просторовий масштаб; в міру наближення до початку розширення горизонт спостерігача стискається (рис. 1). У найперші миті масштаб такий малий, що ми вже не в праві застосовувати загальну теорію відносності: для опису явищ в таких малих масштабах потрібно квантова механіка (см. КВАНТОВА МЕХАНІКА). Але квантової теорії гравітації поки не існує, тому ніхто не знає, як розвивалися події до моменту 10

   43 с, званого планка часом(В честь батька квантової теорії). В той момент щільність матерії досягала неймовірного значення 1090 кг / см 3 , Яке не можна порівняти не тільки з щільністю оточуючих нас тіл (менше 10 г / см3 ), Але навіть з щільністю атомного ядра (бл. 1012 кг / см 3 ) Найбільшою щільністю, доступною в лабораторії. Тому для сучасної фізики початком розширення Всесвіту служить час планка.

   Ось за таких умов неможливе високої температури і щільності відбулося народження Всесвіту. Причому це могло бути народженням в прямому сенсі: деякі космологи (скажімо, Я.Б.Зельдович в СРСР і Л.Паркер в США) вважали, що частинки і гамма-фотони були народжені в ту епоху гравітаційним полем. З точки зору фізики, цей процес міг відбутися, якщо сингулярність була анизотропной, тобто гравітаційне поле було неоднорідним. В цьому випадку приливні гравітаційні сили могли «витягнути» з вакууму реальні частки, створивши таким чином речовина Всесвіту.

   Вивчаючи процеси, що відбувалися відразу після Великого вибуху, ми розуміємо, що наші фізичні теорії ще дуже недосконалі. Теплова еволюція ранньому Всесвіті залежить від народження масивних елементарних частинок адронів, про яких ядерна фізика знає ще мало. Багато з цих частинок нестабільні і короткоживучі. Швейцарський фізик Р.Хагедорн вважає, що може існувати безліч адронів зростаючих мас, які в достатку могли формуватися при температурі близько 10

   12 К, коли гігантська щільність випромінювання приводила до народження адронних пар, що складаються з частинки і античастинки. Цей процес мав би обмежити зростання температури в минулому.

   Відповідно до іншої точки зору, кількість типів масивних елементарних частинок обмежена, тому температура і щільність в період адронной ери мали досягати нескінченних значень. В принципі це можна було б перевірити: якби складові адронів кварки були стабільними частинками, то деяку кількість кварків і антикварків мало зберегтися від тієї гарячої епохи. Але пошук кварків виявився марним; швидше за все, вони нестабільні. див . також ЧАСТИНКИ ЕЛЕМЕНТАРНІ.

   Після першої мілісекунди розширення Всесвіту сильне (ядерне) взаємодія перестало грати в ній визначальну роль: температура знизилася настільки, що атомні ядра перестали руйнуватися. Подальші фізичні процеси визначалися слабкою взаємодією, відповідальним за народження легких частинок лептонів (тобто електронів, позитронів, мезонів і нейтрино) під дією теплового випромінювання. Коли в ході розширення температура випромінювання знизилася приблизно до 10

   10 К, лептонні пари перестали народжуватися, майже всі позитрони і електрони аннигилировали; залишилися лише нейтрино і антинейтрино, фотони і трохи збережених з попередньої епохи протонів і нейтронів. Так завершилася Лептонний ера.

   Наступна фаза розширення фотонна ера характеризується абсолютним переважанням теплового випромінювання. На кожен зберігся протон або електрон доводиться по мільярду фотонів. Спочатку це були гамма-кванти, але в міру розширення Всесвіту вони втрачали енергію і ставали рентгенівськими, ультрафіолетовими, оптичними, інфрачервоними і, нарешті, зараз стали радіоквантамі, які ми приймаємо як чернотельное фонове (реліктове) радіовипромінювання.

   Невирішені проблеми космології Великого вибуху. Можна відзначити 4 проблеми, що стоять зараз перед космологічної моделлю Великого вибуху.

   1. Проблема сингулярності: багато хто сумнівається в застосовності загальної теорії відносності, що дає сингулярність в минулому. Пропонуються альтернативні космологічні теорії, вільні від сингулярності.

   2. Тісно пов'язана з сингулярностью проблема изотропности Всесвіту. Здається дивним, що почалося з сингулярного стану розширення виявилося настільки ізотропним. Не виключено, правда, що анізотропне спочатку розширення поступово стало ізотропним під дією дисипативних сил.

   3. Однорідна на найбільших масштабах, на менших масштабах Всесвіт досить неоднорідна (галактики, скупчення галактик). Важко зрозуміти, як одна лише гравітація могла привести до появи такої структури. Тому космологи вивчають можливості неоднорідних моделей Великого вибуху.

   4. Нарешті, можна запитати, яке майбутнє Всесвіту? Для відповіді необхідно знати середню щільність матерії у Всесвіті. Якщо вона перевершує деяке критичне значення, то геометрія простору-часу замкнута, і в майбутньому Всесвіт неодмінно стиснеться. Замкнута Всесвіт не має меж, але її обсяг кінцевий. Якщо щільність нижче критичної, то Всесвіт відкрита і буде розширюватися вічно. Відкрита Всесвіт нескінченний і має тільки одну сингулярність спочатку. Поки спостереження краще узгоджуються з моделлю відкритої Всесвіту.

   Походження великомасштабної структури. У космологов на цю проблему є дві протилежні точки зору.

   Найбільш радикальна полягає в тому, що спочатку був хаос. Розширення ранньому Всесвіті відбувалося вкрай анізотропно і неоднорідне, але потім дисипативні процеси згладили анизотропию і наблизили розширення до моделі Фрідмана Леметра. Доля неоднорідностей вельми цікава: якщо їх амплітуда була великою, то неминуче вони повинні були коллапсировать в чорні діри з масою, яка визначається поточним горизонтом. Їх формування могло початися прямо з планковского часу, так що у Всесвіті могло бути безліч дрібних чорних дір з масами до 10

   5 м Однак С.Хокинг показав, що «міні-діри» повинні, випромінюючи, втрачати свою масу, і до нашої епохи могли зберегтися тільки чорні діри з масами більше 1016 г, що відповідає масі невеликої гори. див . також ЧОРНА ДІРА.

   Первинний хаос міг утримувати обурення будь-якого масштабу і амплітуди; найбільші з них у вигляді звукових хвиль могли зберегтися від епохи раннього Всесвіту до ери випромінювання, коли речовина була ще досить гарячим, щоб випускати, поглинати і розсіювати випромінювання. Але з закінченням цієї ери остившая плазма рекомбинированного і перестала взаємодіяти з випромінюванням. Тиск і швидкість звуку в газі впали, внаслідок чого звукові хвилі перетворилися в ударні хвилі, що стискають газ і змушують його коллапсировать в галактики і їх скупчення. Залежно від типу вихідних хвиль розрахунки пророкують досить різну картину, далеко не завжди відповідає що спостерігається. Для вибору між можливими варіантами космологічних моделей важливою є одна філософська ідея, відома як антропний принцип: з самого початку Всесвіт повинна була мати такі властивості, які дозволили сформуватися в ній галактик, зірок, планет і розумного життя на них. Інакше не було б кому займатися космологією.

   Альтернативна точка зору полягає в тому, що про вихідну структуру Всесвіту можна дізнатися не більше того, що дають спостереження. Згідно з цим консервативному підходу, не можна вважати юну Всесвіт хаотичної, оскільки зараз вона дуже изотропна і однорідна. Ті відхилення від однорідності, які ми спостерігаємо у вигляді галактик, могли вирости під дією гравітації з невеликих початкових неоднорідностей густини. Однак дослідження великомасштабного розподілу галактик (в основному проведені Дж.Піблсом в Прінстоні), здається, не підтверджують цю ідею. Інша цікава можливість полягає в тому, що скупчення чорних дір, які народилися в адроннийеру, могли стати вихідними флуктуаціями для формування галактик.

   Відкрита або замкнута Всесвіт? Найближчі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційною відстані; але більш далекі не підкоряються цієї залежності: їх рух вказує, що розширення Всесвіту з часом сповільнюється. У замкнутої моделі Всесвіту під дією тяжіння розширення в певний момент зупиняється і змінюється стисненням (рис. 2), але спостереження показують, що уповільнення галактик відбувається все ж не так швидко, щоб коли-небудь відбулася повна зупинка.

   Щоб Всесвіт була замкнута, середня щільність матерії в ній повинна перевищувати певний критичне значення. Оцінка щільності видимого і невидимого речовини вельми близька до цього значення.

   Розподіл галактик в просторі дуже неоднорідний. Наша Місцева група галактик, що включає Чумацький Шлях, Туманність Андромеди і кілька галактик поменше, лежить на периферії величезної системи галактик, відомої як Надскупчення в Діві (Virgo), центр якого збігається зі скупченням галактик Virgo. Якщо середня щільність світу велика і Всесвіт замкнута, то мало б спостерігатися сильне відхилення від ізотропного розширення, викликане тяжінням нашої і сусідніх галактик до центру Сверхскопления. У відкритій Всесвіту це відхилення незначно. Спостереження швидше узгоджуються з відкритою моделлю.

   Великий інтерес космологов викликає зміст в космічному речовині важкого ізотопу водню дейтерію, який утворився в ході ядерних реакцій в перші миті після Великого вибуху. Зміст дейтерію виявилося надзвичайно чутливе до щільності речовини в ту епоху, а отже, і в нашу. Однак «дейтерієву тест» здійснити нелегко, бо потрібно досліджувати первинне речовина, що не побувало з моменту космологічного синтезу в надрах зірок, де дейтерій легко згоряє. Вивчення гранично далеких галактик показало, що вміст дейтерію відповідає низькій щільності матерії і, отже, відкритої моделі Всесвіту.

   Альтернативні космологічні моделі. Взагалі кажучи, на самому початку свого існування Всесвіт міг бути вельми хаотична і неоднорідна; сліди цього ми, можливо, спостерігаємо сьогодні в великомасштабному розподілі речовини. Однак період хаосу не міг тривати довго. Висока однорідність космічного фонового випромінювання свідчить, що Всесвіт був дуже однорідна в віці 1 млн. Років. А розрахунки космологічного ядерного синтезу вказують, що якби після закінчення 1 с після початку розширення існували великі відхилення від стандартної моделі, то склад Всесвіту був би зовсім іншим, ніж у дійсності. Однак про те, що було протягом першої секунди, ще можна сперечатися. Крім стандартної моделі Великого вибуху, в принципі існують і альтернативні космологічні моделі:

   1. Модель, симетрична відносно матерії та антиматерії, передбачає рівний присутність цих двох видів речовини у Всесвіті. Хоча очевидно, що наша Галактика практично не містить антиречовини, сусідні зоряні системи цілком могли б цілком складатися з нього; при цьому їх випромінювання було б точно таким же, як у нормальних галактик. Однак в більш ранні епохи розширення, коли речовина і антиречовину були в більш тісному контакті, їх анігіляція повинна була народжувати потужне гамма-випромінювання. Спостереження його не виявляються, що робить симетричну модель малоймовірною.

   2. У моделі Холодного Великого вибуху передбачається, що розширення почалося при температурі абсолютного нуля. Правда, і в цьому випадку ядерний синтез повинен відбуватися і розігрівати речовина, але мікрохвильове фонове випромінювання вже не можна прямо пов'язувати з Великим вибухом, а потрібно пояснювати якось інакше. Ця теорія приваблива тим, що речовина в ній піддається фрагментації, а це необхідно для пояснення великомасштабної неоднорідності Всесвіту.

   3. Стаціонарна космологічна модель передбачає безперервне народження речовини. Основне положення цієї теорії, відоме як Ідеальний космологічний принцип, стверджує, що Всесвіт завжди була і залишиться такою, як зараз. Спостереження спростовують це.

   4. Розглядаються змінені варіанти ейнштейнівської теорії гравітації. Наприклад, теорія К.Бранса і Р.Дікке з Прінстона в загальному узгоджується зі спостереженнями в межах Сонячної системи. Модель Бранса Дікке, а також більш радикальна модель Ф. Хойл, в якій деякі фундаментальні постійні змінюються з часом, мають майже такі ж космологічні параметри в нашу епоху, як і модель Великого вибуху.

   5. На основі модифікованої ейнштейнівською теорії Ж.Леметр в 1925 побудував космологічних моделях, що об'єднує Великий вибух з тривалою фазою спокійного стану, протягом якої могли формуватися галактики. Ейнштейн зацікавився цією можливістю, щоб обгрунтувати свою улюблену космологічних моделях статичної Всесвіту, але коли було відкрито розширення Всесвіту, він публічно відмовився від неї.