Человек, который поставил планеты на место
До Кеплера люди думали, что планеты движутся вокруг Земли по кругу. Но ученый всех переубедил.
Иоганн Кеплер был немецким математиком и астрономом, но не брезговал также составлением астрологических гороскопов и, как показывают недавние исследования, возможно, даже увлекался алхимией. Страсть к астрономии ему привила мать-трактирщица, которая подрабатывала гаданием и траволечением. В 1577 году она показала маленькому сыну большую яркую комету, а три года спустя — лунное затмение 1580 года. После этого Кеплер уже не мог забыть о тайных знамениях небес и, взрослея, стремился построить некую универсальную систему мироздания. Мистическая философия и строгая математика странным образом сочетались в его теории: мир он считал реализацией некоторой числовой гармонии, каковую оставалось лишь разгадать. Три закона, сформулированные им 400 лет назад, родились из интуиции и озарений, но в точности описали движения планет.
Тайна мироздания
Надо заметить, что астрономы конца XVI века еще не были уверены в том, как устроена Солнечная система, и разделялись на два лагеря: одни верили, что прав Птолемей и все планеты, Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг неподвижной Земли. Другие же соглашались с Коперником и полагали, что именно Солнце является центром Вселенной, вокруг которого вращаются остальные небесные тела Солнечной системы. Около 1580 года датский астроном Тихо Браге выдвинул компромиссную версию: мол, все планеты, кроме Земли, вращаются вокруг Солнца, но Земля находится на особом положении — она неподвижно покоится в центре мира, заставляя крутиться вокруг себя Солнце и Луну. Так, геоцентрическая и гелиоцентрическая система мира объединились в гибридную геогелиоцентрическую. Но вопросы остались: как именно планеты вращаются, по какой траектории, с какой скоростью — этого точно никто не знал.
Как раз этими темами занялся Иоганн Кеплер. В 25 лет он написал книгу «Тайна мироздания» о шести известных тогда планетах — в ней он сопоставлял орбиты и «платоновы тела» и искал скрытую математическую гармонию Вселенной. Кеплер был настолько уверен в своей мистической теории, что тут же послал ее крупнейшим астрономам конца XVI века Галилео Галилею и Тихо Браге, и они хотя и отвергли фантазии юноши, но отметили его оригинальность и ум, а Галилей поддержал приверженность молодого ученого гелиоцентрической системе мира. После этого Кеплер вошел в научное сообщество и, осмелев, стал фонтанировать идеями. Одна из них совершенно не понравилась Галилею: молодой коллега утверждал, что Марс движется не по кругу, а по эллипсу. Известие о том, что все орбиты небесных тел — эллипсы, которое нам кажется аксиомой, не сразу было принято астрономами. Неравномерное движение Солнца, Луны и планет тогда объяснялось сложно: считалось, что планета равномерно движется по малому кругу, называемому эпициклом, центр которого, в свою очередь, движется по большому кругу, который называется деферентом.
«Я всегда ценил ум Кеплера — острый и свободный, пожалуй, даже слишком свободный, но способы мышления у нас совсем разные», — отзывался о Кеплере Галилей. А Тихо Браге пригласил молодого астронома к себе, и они десять лет плодотворно работали вместе. Следствием этого сотрудничества как раз и стали знаменитые три закона Кеплера.
Первый закон Кеплера
Многолетние наблюдения Браге показали: Марс движется по орбите, но это не окружность. Пытаясь найти объяснения этому загадочному факту, Иоганн Кеплер пришел к первому своему закону: «Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце».
Тут стоит пояснить, что такое фокусы. Эллипс, как вы можете представить, это замкнутая прямая на плоскости. Он симметричен и содержит внутри две оси, проходящие через центр: большую и малую. Оси можно разделить на полуоси, исходящие из центра (это будет радиус орбиты). Если нарисовать на больших полуосях две точки на одинаковом расстоянии от центра, это и будут фокусы. При этом сумма расстояний отрезков от фокусов до любой точки эллипса является постоянной величиной.
Второй закон Кеплера
Второй закон Кеплера определил, как меняется скорость планеты при удалении или приближении к Солнцу. Оказалось, что чем дальше планета находится от Солнца, тем медленнее она движется. А по мере приближения к светилу скорость планеты увеличивается.
Закон сформулирован так: радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, в равное время описывает равные площади. Радиус-вектор — это линия, соединяющая Солнце и планету, движущуюся по орбите. Проще понять этот закон с помощью наглядной схемы: закрашенные площади равны и проходятся за одинаковое время.
Третий закон Кеплера
Третий закон Кеплера позволяет рассчитать скорость планеты и период ее обращения вокруг Солнца. Он гласит: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
T1 и T2 — периоды обращения двух планет вокруг Солнца, a1 и a2 — длины больших полуосей их орбит.
Гармония мира
Математическая красота Вселенной, о которой мечтал ученый, нашла неожиданное подтверждение: выяснилось, что соотношение большого и малого радиуса планет у всех планет Солнечной системы одинаково и совпадает с числом золотого сечения, погрешность составляет доли процента.
«Я выяснил, что все небесные движения, как в их целом, так и во всех отдельных случаях, проникнуты общей гармонией, правда, не той, которой я предполагал, но еще более совершенной», — писал о своих озарениях Кеплер. После его открытий представление о Земле как о центре Вселенной окончательно ушло из астрономии.
Несмотря на столь мощный вклад Иоганна Кеплера в развитие науки, его мать чуть было не сожгли на костре: в 1615 году она была обвинена в колдовстве, посажена на железную цепь в городских воротах и пять лет ожидала казни. Кеплеру пришлось лично защищать ее в суде, забросив астрономию, чтобы опровергнуть полсотни обвинений, в том числе связи с дьяволом, богохульство, порчу, некромантию и т. д. Мать удалось оправдать, но через полгода она умерла — в 1621 году. Кеплер прожил еще девять лет, успев выпустить свою завершающую книгу — «Гармония мира».
Вклад Кеплера в науку высоко оценил Альберт Эйнштейн. «Он жил в эпоху, когда еще не было уверенности в существовании некоторой общей закономерности для всех явлений природы, — писал автор теории относительности. — Какой глубокой была у него вера в такую закономерность, если, работая в одиночестве, никем не поддерживаемый и не понятый, он на протяжении многих десятков лет черпал в ней силы для трудного и кропотливого эмпирического исследования движения планет и математических законов этого движения! Сейчас, когда эти законы уже установлены, трудно себе представить, сколько изобретательности, воображения и неустанного, упорного труда потребовалось, чтобы установить эти законы и со столь огромной точностью выразить их».
Источник
Профессор физики решил загадку расширения Вселенной
Впервые предположение о том, что Вселенная расширяется, предложил бельгийский физик Жорж Леметр (1894-1966 гг) и доказано оно было Эдвином Хабблом (1889-1953 гг). Американский астроном, наблюдая в свой телескоп, определил, что ближайшие галактики удаляются от нас, причем, чем галактика дальше, тем быстрее она от нас удаляется. Это открытие позволило понять, что в самом начале времени вся Вселенная произошла из одного места. Кроме того, исследование дало начало закону Хаббла-Леметра, включавшая постоянную Хаббла, которая характеризовала скорость расширения Вселенной.
Графическое представление сингулярности Вселенной. Фото: НАСА
Наиболее точные расчеты показывают, что она составляет около 70 (км / с) / Мпк (это означает, что Вселенная расширяется на 70 километров в секунду быстрее каждые 3,26 миллиона световых лет). Проблема в том, что существует два противоречивых метода расчета.
Сверхновые
Первый метод основан на космическом микроволновом фоне – излучение, которое зародилось спустя 370000 лет после Большого взрыва. Воспользовавшись данными, полученными в ходе миссии Планка, и принимая во внимание тот факт, что Вселенная однородная и изотропная, мы получаем значение постоянной Хаббла равной 67,4 (км / с) / Мпк. Второй метод основан на использовании сверхновых, с помощью которых можно точно рассчитать расстояние до галактик – хозяев. Так вот согласно второму методу значение постоянной Хаббла равно 74 (км / с) / Мпк.
Альберт Эйнштейн и Жорж Леметре
Причем эти два значения с каждым годом становились все более точными, но все равно отличались друг от друга. Чтобы решить эту загадку, Лукас Ломбрайзер, профессор кафедры теоретической физики Факультета наук UNIGE, предложил теорию, согласно которой Вселенная не такая и однородная. Мы можем легко представить, что материя распределена по-разному в пределах одной галактики, но чтобы она отличалась в масштабах в миллион раз больших, представить крайне трудно.
«Пузырь Хаббла»
«Если бы мы оказались в некоем гигантском пузыре, плотность которого была бы ниже, чем плотность остальной Вселенной, это имело бы решающее значение для определения постоянной Хаббла», — сказал Ломбрайзер.
Ученый рассчитал, что если бы пузырь имел бы диаметр 250 миллионов световых лет, а плотность вещества в нем была бы вдвое меньше, то расчеты, основанные на двух различных методах, совпадали.
Источник
Законы Иоганна Кеплера — великого философа, астронома и математика
В своё время, Кеплер на основании анализа наблюдений других учёных, Тихо Браге и Коперника, вывел три закона. Которые дают описание гелиоцентрической орбиты планеты. Основу его соотношений составили опыт и эксперименты.
Считается, что погрешность кеплеровых законом максимум 1%. Между тем, Кеплер не смог сам научно обосновать свои выводы. Более того, можно сказать, что выдвинул он их интуитивно. Впоследствии данные предположения теоретически доказал Исаак Ньютон. Также в дальнейшем их применение было обоснованно классической механикой.
Бесспорно, работы ученого в значительной мере способствовали пониманию внутренней системы движения космических объектов.
Познавать означает сопоставлять воспринятое извне с внутренними идеями и выносить суждение о том, насколько то и другое совпадает.
Первый закон Кеплера
Это эллипсический закон.
В нашей системе планеты осуществляют оборот по эллипсу. К тому же, Солнце находится на одном из фокусов данной кривой.
Форму эллипса и его сходство с окружностью определяют эксцентриситетом. Это выражение сечения конуса в числовой мере. Более того, именно он указывает на степень отклонения от окружности.
Его вычисляют делением промежутка от центра до фокуса эллипса на большую полуось. Если расстояние равно нулю, соответственно эллипс будет являться окружностью.
Открытие и использование закона всемирного тяготения в астрономии является доказательством первого закона Кеплера. Закон всемирного тяготения установил то, что каждый объект во Вселенной притягивает другой объект по определённой линии. Которая, помимо всего прочего, соединяет центры их масс. Но в то же время является пропорциональной массе каждого объекта, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между этими объектами. Разработал закон всемирного тяготения Ньютон.
Первый закон Кеплера взаимосвязан с ньютоновскими законами.
Во втором законе Ньютон утверждал и доказывал, что ускорение объекта является пропорциональной равнодействующей всех сил. Которые прилагаются к объекту. Кроме того, ускорение также является обратно пропорциональным массе объекта.
Второй кеплеровский закон
По другому, его называют законом площадей. Он сообщает, что каждая планета движется в определённой плоскости. Которая, к тому же, простирается через центр Солнца. Вдобавок радиус-вектор, объединяющий планету и Солнце, заметает собой равные площади за равные промежутки времени.
В Солнечной системе планеты движутся вокруг Солнца совсем непостоянно. Например, от самой ближней точки орбиты до главной звезды наблюдается большая скорость, чем от самой дальней точки.
Действительно, мы наблюдаем такое явление в начале года. Видимое движение Солнца проходит быстрее, нежели в другое время. Так как Земля в это время расположена на ближнем пункте орбиты. Кстати, её называют перигелий. А прямо противоположную точку, то есть самую отдаленную-афелий.
Третий закон Кеплера
Часто называют его название гармоничный закон. Он подразумевает, что период вращения планеты в квадрате вокруг Солнца относится, как куб большой полуоси орбиты планеты.
По правилам силы гравитации, закон Кеплера не совсем точен. Помимо всего прочего, в нём должна учитываться масса планеты.
Гармоничный закон с учётом закона тяготения актуально применять для измерения массы космического объекта. Но только, если установлены их орбиты.
Источник
Радиус видимой Вселенной
Относится к разделу Наука
Известные на сегодняшний день инфляционные модели Большого Взрыва предсказывают различные значения начального размера Вселенной после завершения этапа инфляции:
«… период «раздувания» … называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 10 50 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка» [1].
«В конце инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер около 1 см в диаметре…» [2].
«Вселенная расширилась на 50 порядков – была меньше протона, а стала размером с грейпфрут» [3].
«к окончанию инфляционного периода вселенная приобрела размер примерно 1 см» [5].
«зародыш Вселенной вырос от нуля до размеров мячика для игры в пинг-понг» [13].
Сам процесс инфляционного раздувания длится мельчайшую долю секунды, после чего начинается многомиллиардный в годах процесс хаббловского расширения Вселенной. До настоящего времени Вселенная по приведённым ниже оценкам расширилась от 10 8 до 10 30 метров. На приведённых рисунках видно, что время после инфляционного расширения T14 составляет порядка 10 17 секунд или общепризнанные 13,8 млрд. лет:
Рис.1. За время жизни Вселенная увеличивается по разным оценкам до размеров 10 8 — 10 30 метров. Рисунки из работ (слева направо) [6, 11, 7]
Радиус Вселенной на сегодняшний день на приведённых рисунках показан порядка 10 8 — 10 30 метров. На последнем (правом) из представленных рисунков нынешний радиус Вселенной равен примерно 10 14 световых лет. В соответствии со стандартной моделью Большого Взрыва начальный радиус Вселенной должен был быть порядка нескольких сантиметров, а дальнейшее расширение было линейным. Инфляция позволяла устранить некоторые проблемы, возникающие в стандартной модели Большого Взрыва. Однако, первые инфляционные сценарии также не были лишены недостатков, что привело к дальнейшему их развитию и появлению новых инфляционных моделей, в которых на стадии инфляции Вселенная расширилась существенно сильнее.
Например, в [12] приводится величина расширения пространства в 10 в степени 10 5 – 10 12 раз, что практически означает размер Вселенной точно с этими же числовыми значениями: 10 в степени 10 5 – 10 12 см. Наибольший размер Вселенной по завершению стадии инфляции из этого диапазона предсказывает новая инфляционная теор ия А.Линде:
«Главное отличие инфляционной теор ии от старой космологии становится очевидным, если посчитать размер типичной инфляционной области в конце инфляции. Даже если начальный размер инфляционной вселенной был очень мал (порядка планковской длины lp
10 ‑33 см), после 10 -35 секунды инфляции вселенная достигает огромных размеров – l
10 1`000`000`000`000 см» [8].
«Согласно некоторым моделям раздувания, масштаб Вселенной (в см) достигнет 10 в степени 10 12 » [4].
Рис.2. Согласно новым инфляционным теор иям за время раздувания порядка 10 -35 с Вселенная увеличивается по разным оценкам в 10 100`000 — 10 1`000`000`000`000 раз. Рисунки из работ (слева направо) [12, 9]
Такой разброс размеров Вселенной, очевидно, должен привести к различным итоговым параметрам Вселенной. Исследуем некоторые группы этих сценариев инфляционного расширения Вселенной.
В дальнейших расчетах удобно использовать в качестве основных единиц измерения световой год (расстояния) и год (время) вместо традиционных мегапарсека и секунды, поскольку в приведённые ниже уравнения мы будем подставлять числовые значения и возраста Вселенной (в годах), и размера Вселенной (в световых годах) и постоянную Хаббла (километры, секунды, мегапарсеки). Для сопоставимости единиц измерения разных величин сразу же переведём значение постоянной Хаббла в новые единицы измерения. Современное значение постоянной Хаббла в обычных единицах равно 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. Возраст Вселенной в рамках модели ΛCDM составляет около 13,8·10 9 лет. Единица космологических расстояний 1Мпк приблизительно равна 3`000`000 световых лет, а единица расстояний 1 световой год (сг) равна 9,46*10 12 км или приблизительно 10 13 км. Длительность года равна приблизительно 30 млн. секунд. Таким образом, используя приблизительные значения величин, найдём значение постоянной Хаббла в этих новых единицах измерения:
Скорость света в этих же единицах:
Впрочем, это очевидно по определению: свет проходит за один год расстояние в один световой год.
Радиус наблюдаемой Вселенной
«Наблюдаемая Вселенная – понятие в космологии Большого Взрыва, описывающее часть Вселенной, являющуюся абсолютным прошлым относительно наблюдателя. С точки зрения пространства, это область, из которой материя (в частности, излучение, и, следовательно, любые сигналы) успела бы за время существования Вселенной достичь нынешнего местоположения (в случае человечества – современной Земли), то есть быть наблюдаемыми» [10].
По имеющимся общепризнанным данным возраст вселенной составляет T14=13,8 млрд. лет. Из этого следует, как считается, что до Земли уже должны долетать фотоны, рождённые в момент возникновения Вселенной. Другими словами, любой фотон реликтового излучения провёл в пути Т14 лет. Однако, в связи с расширением Вселенной также очевидно, что до Земли должны долететь и фотоны, которые излучены с меньшего расстояния, чем Т14 световых лет. Действительно, на протяжении этого времени Земля постоянно удалялась от источника излучения. Поэтому дошедшие до Земли фотоны, имея возраст Т14 лет, рождены на удалении от Земли, меньшем, чем Т14 световых лет.
Из уравнений общей теор ии относительности известно соотношение для постоянной Хаббла H, которое является релятиви стским выражением уравнения закона Хаббла:
где а – масштабный фактор.
Масштабный фактор отражает расширение Вселенной и указывает, что при этом собственно движения звёзд и галактик нет. Расширяется само пространство, поэтому собственные пространственные координаты их остаются неизменными, а изменяется масштаб этих координат.
Из соотношения (2) следует, что уравнение для масштабного фактора имеет вид:
Действительно, лишь в этом случае:
Подставим в уравнение (3) известные значения величин:
и подставляем в уравнение (3):
Из полученного уравнения можно вычислить, что в начальный момент времени (после того, как были сформированы галактики) самый удалённый от Земли источник, фотоны от которого в настоящее время достигли Земли, находился от Земли на расстоянии приблизительно:
В вычислениях мы использовали приблизительные значения величин и исходили из следующих вполне приемлемых допущений. Основное допущение – это принятие за истину соотношения из общей теор ии относительности (2) и, соответственно, закона Хаббла, а также его следствия (3). Второе допущение — за всё время пост-инфляционного расширения Вселенной постоянная Хаббла была не менее принятой ныне величины. Причём, чем больше средняя величина постоянной Хаббла, тем меньше будет фактический радиус наблюдаемой Вселенной. Поэтому, в связи с открытием ускоренного расширения Вселенной, полученный результат следует считать несколько завышенным, поскольку ранее постоянная Хаббла, по всей видимости, была меньше. То есть, Земли достигли фотоны от источников, удалённых несколько более чем на 5 млрд. световых лет. Третье допущение – это приблизительное постоянство постоянной Хаббла, её независимость от времени. Это приемлемое, можно сказать, общепринятое допущение, поскольку это следует из графиков расширения Вселенной практически всех авторитетных исследователей и теор етиков, что видно на рис.1 и 2, на которых графики расширения выглядят либо приемлемо прямолинейными, либо вообще с убывающей по времени постоянной Хаббла. Последнее означает завышенное значение радиуса, то есть, он должен быть меньше 5 млрд. световых лет.
Из приведённых доводов должно следовать, что в астрономических наблюдениях невозможно «увидеть» галактики, удалённые более чем на 5 млрд. световых лет. Фотоны от любой галактики в возрасте, близком к возрасту Вселенной, достигшие Земли, были испущены, когда галактика находилась не дальше 5 млрд. световых лет (5). Далее из этого должно следовать, что никакое красное смещение не может соответствовать удалённости более чем на это расстояние и приводимые в космологической литературе сведения о том, что обнаружены галактика или квазар, удалённые на 10-12 млрд. световых лет, вызывают недоверие.
Собственно говоря, это достаточно очевидное обстоятельство. Поскольку возраст Вселенной 14 млрд. лет, любой фотон мог быть в пути не дольше этого времени. Если фотон двигался к Земле из точки с удалённостью 12-14 млрд. лет, то со скоростью света он прошёл бы это расстояние и достиг бы Земли за время жизни Вселенной только в случае, если бы Земля не удалялась. Но Земля удалялась, причём с достаточно высокой скоростью:
Рис.3. Если звезда удалена от Земли более чем на 5 млрд. световых лет, то фотон не сможет её достичь за время жизни Вселенной.
На рисунке изображена схема движения к Земле фотона от удалённой Звезды и рядом – иконка (кнопка) для запуска анимации. Поскольку Земля удаляется от Звезды, фотон за время жизни Вселенной достигнет только точки, где Земля находилась в момент его испусканий (бледный синий кружок) – на расстоянии 13,7 млрд. световых лет. Это очевидно, поскольку за это время в 13,7 млрд. лет Земля удалится от этой точки. Достичь Земли смогут только фотоны, удалённые от неё в момент излучения не более чем на 5 млрд. световых лет (приблизительно). Это расстояние, видимо, и следует считать наблюдаемой границей Вселенной.
Тем не менее, в космологической литературе указывается радиус наблюдаемой Вселенной, близкий по величине к её возрасту – около 14 млрд. световых лет. На рисунке показана крупномасштабная карта Вселенной с самыми удалёнными квазарами (галактиками), известными к декабрю 2014 года:
Рис.4. Крупномасштабная карта Вселенной с наиболее удалёнными квазарами (сведения на декабрь 2014 года). Кружки квазаров условно подкрашены в соответствии с их красным смещением.
Каждый из квазаров (галактик) изображен цветным кружком, подкрашенным условно в цвет, соответствующий его красному смещению. Сведения об изображенных на рисунке квазарах представлены в таблице:
quazar
RA
Decl
Z
Удаленность, млрд.св.лет
Ссылка на статью (координаты)
В таблице приведены названия квазаров, их координаты R и Decl (Right ascension, Declination) и красное смещение Z. Ссылки на источники данных об этих галактиках (квазарах) указаны в последней колонке таблицы. По некоторым из галактик в указанных источниках не приведены сведения об их удалённости. В таблице эти расстояния вычислены с помощью «Космологического калькулятора» ( http://www.astro.ucla.edu/
wright/CosmoCalc.html ). В таблице они показаны с тремя знаками после запятой и выделены курсивом. Остальные сведения взяты из источников по ссылкам. Дата обращения по приведённым ссылкам – конец 2014 года.
Как видно из таблицы, все квазары удалены от Земли на расстояние практически свыше 13 миллиардов световых лет. Как показано в выше приведённых расчетах, за 13 с лишним миллиардов световых лет свет от таких галактик, видимо, не мог достичь Земли. То есть, получается, наблюдать галактики на таком удалении от Земли вряд ли возможно. Это значит, что космологические способы вычисления расстояний до галактик, вызывают определённые сомнения. Более того, очевидно, что за 14 млрд. лет фотоны от галактик, удалённых на 14 млрд. световых лет, достичь Земли могли лишь в случае стационарной (не расширяющейся) Вселенной. Сразу отметим, что это весьма странный, если не сказать нелепый, вывод. Ставятся под сомнения множество общепризнанных теор ий и выводов: общая теор ия относительности, закон Хаббла, теор ия Большого взрыва… Понятно, что это совершенно исключено. Следовательно, вывод о радиусе видимой Вселенной в 5 млрд. световых лет, по сути, является очередным космологическим парадоксом. Либо расчеты содержат ошибку.
Источник