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
Космология: эволюция и происхождение Вселенной
Космология — это такой раздел астрономии. Возможно именно тот, который вызывает у человека наибольший взрыв мозга из-за затронутых в нем тем. Здесь рассматриваются вопросы, на которые пока трудно ответить. Эти проблемы, как однажды сказал Карл Саган, когда-то рассматривались лишь в мифах и религиозных текстах…
Космология полна загадок
Космология изучает происхождение и эволюцию Вселенной. От Большого взрыва до настоящего времени. А также пытается заглянуть в далекое будущее. Космологи изучают свойства Вселенной в самых широких масштабах. И это далеко не простая задача. Попытки найти ответы на вопросы о судьбе Вселенной, или ее происхождения, отнюдь не являются второстепенными проблемами.
Космологи изучают самые разнообразные и сложные понятия. От теории струн до темной энергии и темной материи. И даже гипотезы о том, что мы, на самом деле, живем в Мультивселенной. Или, если быть точнее, в одной из вселенных, из которых она состоит. В отличие от других разделов астрономии, в космологии объектом исследования является не какая-то конкретная часть Вселенной. И не звезды или галактики. Сама Вселенная изучается этой наукой как единое целое.
Ученые, которые посвятили всю свою жизнь космологии, постоянно сталкиваются со всевозможными серьезными вопросами. Какое будущее ждет нашу Вселенную? Что было до Большого взрыва? Какова форма Вселенной? Размышления на эти темы могут запросто вызвать небольшие завихрения в мозгу.🤓
История космологии
Наше понимание Вселенной с течением времени сильно менялось. На заре развития астрономии люди верили, что Земля является центром всего космоса. И именно вокруг нее вращаются все планеты и звезды. Только в начале XVI века Николай Коперник предположил, что это вовсе не так. Он первым понял, что Земля и другие планеты Солнечной системы, на самом деле, вращаются вокруг Солнца. Это вызвало глубокие изменения в нашем представлении о том, что такое космос.
В 17 веке Исаак Ньютон рассчитал, как взаимодействуют гравитационные силы. А на заре 20 века мы сделали еще один шаг вперед. Великий Альберт Эйнштейн предложил объединить пространство и время. Сегодня мы называем это общей теорией относительности.
В начале прошлого века ученые часто задавались вопросом, является ли Млечный Путь всей Вселенной? Или это лишь его малая часть?
Эдвин Хаббл первым рассчитал расстояние до галактики Андромеда. Таким образом он определил, что она находится за пределами Млечного Пути.
Итак, вдруг выяснилось, что наша Галактика является всего лишь крошечной каплей в гигантском океане Вселенной. Используя общую теорию относительности, Эдвин Хаббл смог измерить расстояния и до других галактик. Ученый с удивлением узнал, что почти все они удаляются от нас. После этого открытия стало ясно, что Вселенная не статична. И она постоянно расширяется.
Вопросы и ответы
Космология, несмотря на всю свою сложность, уже смогла найти ответы на некоторые глобальные ответы. Да, они, наверное, не настолько исчерпывающие, как хотелось бы. Однако лучше что-то, чем ничего.
Один из наиболее распространенных из подобных вопросов звучит так: где произошел Большой взрыв? И на него, наверное, дан самый сложный ответ. Он таков: Большой взрыв произошел не в какой-то определенной точке Вселенной. Он произошел сразу и везде. Потому что, в конце концов, именно в этот момент появились пространство и время. Во Вселенной нет места, на которое мы могли бы указать и сказать «здесь произошел Большой взрыв!».
Но если все галактики удаляются от нас, возникает вопрос — не означает ли это, что мы находимся в центре Вселенной? Ответ на него довольно прост. Если бы мы оказались в какой-то другой галактике, то увидели бы тот же эффект. В некотором смысле это похоже на представление Вселенной в виде гигантского воздушного шара. Если вы отметите на нем несколько точек, и начнете его надувать, все точки будут равномерно удаляться от остальных. Хотя ни одна из них и не находится в условном центре поверхности шара.
Самые большие вопросы космологии
Но, возможно, два самых головокружительных вопроса космологии касаются возраста Вселенной и ее будущего. Космическая обсерватория Планк помогла ученым установить, что возраст Вселенной — примерно 13,8 миллиарда лет. С погрешностью плюс-минус 100 миллионов лет. Планк помог выполнить подобные расчеты после наблюдения за небольшими перепадами температур в фоновом излучении.
Но каково будущее нашей Вселенной? Наступит ли когда-нибудь конец ее существованию? Ученые считают, что это зависит от разных факторов. Например, от общей плотности вещества в космосе.
И астрономы рассчитали значение этой «критической плотности».
Выяснилось, что если плотность Вселенной на самом деле выше этого критического уровня, расширение Вселенной замедлится. И, в конце концов, оно обратится вспять, и Вселенная схлопнется. Чтобы потом опять взорваться. Однако, если все обстоит наоборот, и плотность ниже критической, Вселенная будет продолжать расширяться бесконечно. И, в итоге, переживет так называемую «тепловую смерть».
На данный момент это наиболее популярная гипотеза.
Источник
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник