Космология
Космология — это наука, которая отвечает на вопросы, как образовалась Вселенная, из чего она состоит, каким образом развивается и каково её будущее. Космология также является подразделом двух других наук — астрономии и астрофизики.
Космолог — это учёный, который изучает космологию; занимается такими понятиями как:
- теория струн,
- тёмная материя и тёмная энергия,
- существование нескольких параллельных Вселенных (мультивселенная).
Возникновение космологии как науки связывают с появлением теории относительности, которая была разработана Альбертом Эйнштейном (опубликована в 1915 году). Позже в 1922 году идеи Эйнштейна о неизменяющейся Вселенной были опровергнуты физиком и математиком Александром Фридманом.
Говоря о появлении космологии как науки, невозможно не упомянуть открытие американского учёного-астронома Веста Мелвина Слайфера в 1912–1914 годах. Он обнаружил красное смещение.
Что изучает космология?
Космологи занимаются вопросами происхождения и эволюции Вселенной. Это включает прошлое — момент Большого взрыва, настоящее, и прогноз будущего.
Космология изучает научным путём крупномасштабные свойства Вселенной как одно целое. Используя научный метод, космология стремится понять происхождение, развитие и будущее всей Вселенной.
Космология изучает теории и научным путём пытается доказать их правильность. Основной теорией возникновения Вселенной является теория Большого взрыва.
Космология и космогония (отличия)
Космология изучает крупномасштабные свойства Вселенной, включая теории о её происхождении, эволюции и прогнозе будущего. Космология изучает структуру и изменения в нынешней Вселенной. В то время как космогония занимается вопросами происхождения Вселенной. Она исследует научным путём происхождение космоса и самой реальности.
Теория Большого взрыва
Теория возникновения Вселенной, согласно которой вначале была сингулярность, затем произошёл взрыв.
После взрыва Вселенная охлаждалась. Потом образовались атомы. Материи стали притягиваться друг к другу, образуя газовые скопления, из которых затем появились звёзды, свехновые звёзды, чёрные дыры и галактики.
Красное смещение
Весто Слайфер открыл, что на фотографических изображениях спектра (спектрограммах) галактик, особенно тех, которые расположены далеко от нашей галактики, много красного цвета. Такое смещение в сторону красного цвета было названо красным смещением.
Красное смещение означает, что галактики двигаются: вращаются и удаляются. Это, в свою очередь, говорит о том, что Вселенная расширяется.
Закон Хаббла (или закон красного смещения)
В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что есть связь между скоростью, с которой далёкие галактики движутся в противоположную от нашей галактики сторону, и расстоянием до этих галактик.
Он вывел формулу, которая позволяет рассчитать скорость галактики и расстояние до Земли. Это открытие было названо законом Хаббла (также закон красного смещения).
Несмотря на то, что этот закон действует только для далёких галактик, он позволил подтвердить, что Вселенная расширяется. С помощью закона Хаббла можно вычислить момент, когда Вселенная начала расширяться. Это позволило учёным выяснить возраст Вселенной — 13,8 миллиардов лет.
Учёные пришли к выводу, что до образования Вселенной была сингулярность.
Сингулярность
Это то положение, которое существовало до того, как произошёл Большой взрыв и образовалась Вселенная.
Согласно общей теории относительности в центре чёрной дыры находится сингулярность. Это область, где нет времени и не применимы законы физики. Область, где всё сжимается до крошечных размеров под высоким давлением.
В космологии есть три понятия: космологическая сингулярность, гравитационная сингулярность и голая сингулярность.
Космологическая сингулярность
Это состояние Вселенной как до Большого взрыва — когда Вселенная представляла собой пространство, сжатое до крошечных размеров высоким давлением, с очень большой плотностью — так и сам Большой взрыв.
Гравитационная сингулярность
Это место в пространственно-временном континууме, через которое нельзя провести кривую (геодезическую линию), и где не работают законы теории относительности.
В физике, в частности по общей теории относительности, тела, обладающие малым зарядом и массой, движутся по геодезической линии пространственно-временного континуума.
Но в гравитационной сингулярности законы физики не применяются. Поэтому и линии провести невозможно.
Голая сингулярность
Это некая область в пространственно-временном континууме, в которой не действует один из общих принципов в физике — принцип причинности.
Этот принцип формулирует, как происшествия или действия воздействуют друг на друга. То есть согласно ему будущие действия не могут изменять происшествия в прошлом.
Иными словами, наше будущее не воздействует на наше прошлое и не обуславливает его.
По версиям физиков, попав в голую сингулярность, можно увидеть и прошлое, и будущее. Но чтобы туда попасть, нужно попасть в чёрную дыру, что делает опыты по изучению такой сингулярности довольно затруднительными, так как из чёрной дыры нельзя выбраться.
Теория относительности
Альберт Эйнштейн формулирует в 1905 году специальную теорию относительности и общую теорию относительности в 1915–1916 годах.
Специальная теория относительности
Если два объекта движутся прямолинейно и с постоянной скоростью, то ни один из них не может быть системой отсчёта. Важно определять их движение только относительно друг друга.
Общая теория относительности
Эйнштейн пытался объяснить, откуда берётся гравитация. Согласно его теории крупные тела искажают пространственно-временной континуум. Это приводит к возникновению гравитации.
Уравнение Александра Фридмана
Александр Фридман вывел уравнение, которое доказывает, что Вселенная изменяется. Математическим путём учёный доказал, что Вселенная увеличивается и что она точно с чего-то началась.
Позднее его теории были подтверждены с помощью закона Хаббла.
Космология в философии
В 1960 году космология широко рассматривалась как раздел философии, но стала играть намного большую роль как подраздел астрофизики и астрономии.
Философия космологии стремится найти способы познания Вселенной, учитывая, что на данный момент человечеству известна только одна Вселенная, и мы не можем проводить над ней классические эксперименты (сравнение с другими данными — другими Вселенными). Также философия космологии ищет последствия и значения, если таковые имеются.
Источник
Космология — это. Раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной
Астрономия – парадоксальная наука, которую человечество создало словно назло самому себе. Она дает возможность нам с помощью наблюдений и вычислений буквально каждый день делать все новые и новые открытия, и именно они заставляют нас понимать, что мы не знаем ровным счетом ничего о Вселенной, о звездах и даже о ближайших к нам планетах Солнечной системы. Сегодня существуют различные разделы астрономии, среди которых основными являются следующие: галактическая и внегалактическая астрономии, физика звезд, астрофизика, экзобиология, астрохимия и космология. Детальным рассмотрением именно последней науки мы сейчас и займемся.
Значение термина
В научном контексте космология – это наука о масштабном изучении Вселенной. Её основу составляют базовые теории и формулы астрономии, физики и математики. Главным образом в рамках науки изучается состав Вселенной, ее структура, возраст и эволюция с момента зарождения. В более широком понимании космология – это соотношение астрономических наблюдений, полученных за различные эпохи, и теория относительности, которую подарил миру Альберт Эйнштейн. Именно благодаря этой физической находке в начале 20-го века космология стала отдельной наукой, точной, основанной на формулах и цифрах. До этого момента она считалась некой эфемерной частью философии, и потому не воспринималась миром всерьез.
Две школы – одна теория
Ныне космология как наука разделилась на две ветви, как и ученые, которые являются ее представителями. Эмпирики при проведении своих работ основываются исключительно на наблюдениях за небесными светилами и материей. Они не создают различных моделей иных реальностей в земных условиях, так как уверены в том, что каким бы ни был результат, он далек от реальности. Теоретики, наоборот, пользуются расчетами, результатами различных исследований. В основе их работы может лежать построение модели определенного участка космоса, черной дыры или иного объекта. Стоит учитывать, что космология – это наука, которая изучает Вселенную и в практическом плане, и в теоретическом. В обеих школах была принята общая концепция – Теория Большого взрыва. В соответствии с ней, все пространство и время зародилось некогда из очень горячей и плотной материи. В противовес ей существует вторая, менее знаменитая, но не лишенная смысла теория. Она говорит о том, что Вселенная – единица постоянная, которая не имеет начала и конца, момента зарождения или момента падения.
Данные, на которых основана наука
Существует шесть основных принципов построения Вселенной, которые используются в космологии:
- Пространство изотропно. Это означает, что все объекты в космосе — как планеты и астероиды, так и галактики и черные дыры — двигаются хаотично, вне определенного порядка, и космология изучает именно данное движение. В некоторых местах они могут скапливаться и образовывать области искаженного пространства, высокого давления и температуры. В других, наоборот, рассеиваться, разрежая пространство до минимума.
- Постоянное расширение границ. Главным образом космология изучает эволюцию Вселенной, и этот процесс, можно сказать, происходит прямо на наших глазах. Все космические объекты, а в особенности галактики удаляются друг от друга. При этом чем больше их параметры, тем быстрее увеличиваются расстояния.
- Пространство, окружающее нашу планету, также изотропно. Это говорит о том, что Земля, как и ее орбита, – рядовая часть Вселенной, которая по структуре мало чем будет отличаться от, скажем, зон, приближенных к планете Кеплер-36Б.
- В соответствии с теорией Большого взрыва, возраст Земли, всех астероидов, звезд, галактик и самой Вселенной примерно одинаковый. Возникновение материи исследователи опускают в века примерно на 20 миллиардов лет, в то время как самые старые звезды появились около 15 млрд лет назад. Куда большие цифры приводят нам археологи, которые откапывают скелеты гигантских рептилий. В соответствии с этими данными, получается, что Земля появилась ранее, чем вся материя в космосе. На самом деле ученые долго недооценивали параметры расстояния между галактиками. Более современные подсчеты позволяют полагать, что Вселенная бесконечна и в плане пространства, и в плане времени.
- Тайны Вселенной, которая необъятна, кроются в самых малых ее частицах – атомах. Как мы уже говорили выше, любой участок пространства будет идентичен предыдущему по своему составу, который исследователи смогли высчитать. На 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия.
- Факт, который, наоборот, подтверждает правильность теории постоянного расширения Вселенной, заключается в том, что на большом расстоянии от СС куда больше квазаров, которые живут более активной жизнью.
Космологические модели мира
Краткая история Вселенной запечатлена в знаменитой теории Большого взрыва. Она родилась благодаря общей теории относительности Эйнштейна, которая легла в основу разработок астрономов, сформировавших модель расширяющейся материи. Данная версия подтвердилась после того, как ученый Хаббл сопоставил расстояния между галактиками и скорость, с которой они удаляются друг от друга. Третье подтверждение последовало от Г. Гамового, который открыл реликтовое излучение. Это фоновое явление встречается во всех уголках Вселенной и является словно «эхом» эпохи взрыва.
Невероятные температуры Взрыва
Кода пытаются объяснить детям, как появился космос, говорят, что ранее он был не больше горошины, но при этом температура и давление в нем имело немыслимые показатели. В реальности краткая история Вселенной мало чем отличается от этой игрушечной модели. Возраст нашего окружающего мира приравнивают к 20 млрд. лет. В то время когда Вселенная была лишь точкой, давление в ней было 10 90 кг/см 3 . В таких условиях зародилась гравитация. К слову, ученые считают, что данный термин не является чем-то отдельным или особенным. Гравитация – это искажение пространства, которое возникает за счет плотности материи. Это объясняет тот факт, что к твердым космическим телам прилегает атмосфера (хоть и минимальная), а газовые объекты и звезды не имеют такого поля. Так, на протяжении веков космос расширялся, формируя отдельные гравитационные поля.
Проблемы космологии
На основе концепции Большого Взрыва были построены и альтернативные модели реальности, которые, в принципе, ничем не хуже основной. Суть данного конфликта заключается в том, что сингулярность пространства в момент зарождения, изотропность в настоящем – это теория, которая может быть составлена на основе исследования СС. За пределами орбит известных нам планет совсем иные условия, которые могут быть не изотропными. Ученые вывели на основе этого три проблемы космологии, которые пока что решить невозможно, но они дают пищу к дальнейшим размышлениям и исследованиям. Ниже остановимся на них более подробно.
Состояние сингулярности
Именно такое состояние, которое, как предполагают многие, было присуще материи в начале начал, может быть лишь научной фантастикой. Невероятная плотность, искаженное пространство и время, немыслимые температуры – все это высчитали в земных условиях на бумаге, но даже в миниатюре такие опыты не удались. Потому главная проблема космологии – это отказ от сингулярности мира в момент зарождения. Скорее всего, точкой отсчета было иное состояние материи.
Отсутствие изотропности
Теоретики уверены в том, что все пространство в космосе однородное, но практика показывает, что это не так. Изучения глубин Вселенной доказывают, что в одном месте наблюдается невероятное скопление галактик, в другом пространство пустует. Конечно же, плотность материи в том и другом участке космоса не может быть одинаковой. Потому можно заявить, что Вселенная анизотропна, и ее химический состав не везде одинаков.
Закрытый или открытый космос?
Ныне для исследователей тайны Вселенной кроются в ее малых частях, которые и должны решить дальнейший исход событий. Высчитывается средняя плотность материи, и если в результате она будет превосходить критическую отметку, то космос сожмется, и вместо взрыва нас ожидает хлопок. Если же плотность ниже пограничной отметки, то Вселенная будет бесконечно расширяться, и измерить ее пространство, объем и время будет просто нереально.
Еще одна модель зарождения и развития Вселенной
Научная космология – область знаний, в рамках которой буквально каждый день совершаются новые открытия, порождаются теории, каждая из которых правдоподобна и реалистична. Помимо известной концепции Взрыва существует так называемая теория асимметрии или взаимодействия материи и антиматерии. Считается, что реликтовое излучение в космосе рождалось всегда и продолжает появляться благодаря взаимодействию вещества и антивещества. Эти же две субстанции находятся далеко не на равных положениях в космосе. Из материи состоит все, о чем мы знаем. Антиматерия для людей существует только в расчетах. Принято полагать, что в первые десять секунд существования мира произошел сбой симметрии, в ходе которого античастицы остались в меньшинстве, по сравнению с частицами, и причины тому неизвестны.
Послесловие
Космология – это область знаний, которая изучает Вселенную как единое целое. Это теоретическая наука, которая может логически объяснить различные явления в космосе, обосновать те или иные передвижения галактик и звезд.
Источник