Концепции космологии.

Космология – это наука о свойствах и эволюции вселенной.

Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений.

Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям. Расширение границ идёт за счет усовершенствования приборов. Сужающая часть – это время прихода света от отдалённых частей.

Галактика (Туманность) – это скопление звезд и планет. Есть гигантские галактики, включающие 1013-1015 звезд.

Поведение и свойства объектов вселенной описывается одинаковыми и не изменяющимися во времени физическими законами:

1. Закон сохранения энергии (ЗСЭ).
2. Закон всемирного тяготения.
3. Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса.

А. Фридман (1868-1925) разработал модели на основании теории Эйнштейна, который считал, что вселенная стационарна во времени, предположил, что вселенная может или расширяться (в Римановском пространстве), или сужаться (сжиматься), или пульсировать. Он сам склонялся к модели расширения. В 1917 году Слайфер обнаружил красное смещение спектра, установив спектрограф на телескоп. Еще в середине XIX века Доплер обосновал смещение спектра в длинноволновые области при удалении от объекта. В 1929 году Э. Хаббл заинтересовался красным смещением Слайфера и обнаружил, что все объекты удаляются.

Закон Хаббла: Красное смещение спектральных линий галактик в сторону длинных волн тем больше, чем дальше от нас находятся галактики.

            V=HR, где V – скорость галактики, H – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. H=, лежит в пределах от 50 до 100, обычно около 75.

1 Пк (парсек) = 3,26 светового года=3,08·1016 м.

H=, где τ – время жизни Вселенной. τ=13 млрд. лет.

На основании этой модели Гамов в 30-40-ее гг. разработал теорию Большого Взрыва на основании теории Хаббла. Должен быть эпицентр, или момент взрыва. Это случилось 13-15 млрд. лет назад. Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии:

            ρ=1019 г/см3

            Т=1032 К.

По этой модели выделены четыре эры развития вселенной:

1. Адронная (τ=10-4 с)
2. Лептонная (τ=0,2 с)
3. Фотонная (τ=1 млн. лет)
4. Звездная (пока не закончилась)

1. Эта эра образования тяжелых частиц (барионов, или адронов) из кварков. Вселенная состояла из барионов и антибарионов, происходили реакции аннигиляции. Потом стали распадаться на нейтроны и протоны (их больше). Эти протоны существуют до сих пор, положительный барионный заряд – тоже.

1. Лептонная – эра лёгких частиц (электронов, фотонов, позитронов).

      Реликтовое нейтрино (ν) образовали в эту эру, но обнаружить их пока не удалось. В конце лептонной эры протонов и нейтронов стало примерно одинаковое количество.

1. Фотонная эра, или эра излучения.

      Энергия фотонов уменьшается по сравнению с первыми двумя эрами, длина волны увеличиваются, и они переходят в рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. В фотонную эру вещество отделяется от антивещества, и фотоны отделились от вещества в виде различных электромагнитных излучений (ЭМИ) – рентгеновского, ультрафиолетового (УФ), светового, инфракрасного… Вселенная становится прозрачной для излучения, появляется свет. В этой же эре произошел первичный нуклеосинтез. Начинают образовываться ядра:         

      Реликтовое фотонное излучение, которое отделилось от вещества, было обнаружено в 1964-м году Вильсоном и ??????????. Температура этого излучения равна средней температуре космоса 2,7К, длина волны составляет порядка 1 мм. Сильное фотонное излучение, которое до сих пор находится в космосе. К концу фотонной эры гамма-фотонов стало в 1 млрд. раз больше, чем протонов и нейтронов вместе взятых. До сих пор сохраняется это соотношение. Называется безразмерной энтропией:

1. Звездная эра начинается после фотонной с появлением атомов H и He.

Водородно-гелиевая вселенная, однородная и изотропная. Атомов водорода образовалось в 3 раза больше, чем атомов гелия. Так было 500 тысяч лет. Вселенная, как самоорганизующаяся система, начала расслаиваться, образуя флуктуации плотности вещества, которое начало закручиваться под действием гравитационных сил. Ньютон утверждал, что из-за гравитации могли быть изменения, приводящие к образованию звезд, галактик и т.п. В 1992 году Зельдович расширил теорию гравитационной неустойчивости (образование «блинов», продолжение сжатия). Модель Гамова удачно описывает многие явления во вселенной, например, эксперименты Хаббла, открытие фотонного реликтового излучения. Однако же, она не в состоянии объяснить:

1. Скручивание галактик, «блинов». В частности, однообразное крупномасштабное закручивание.
2. Образование вихрей во вселенной, которые двигаются со скоростью 100-300 км/с.

Теория газодинамического образования вихрей (Ударная волна, образованная при столкновении «блинов», закручивание галактик в одну сторону).

В конце XX века была обнаружена ячеистая структура вселенной. По границам ячеек распространено вещество, а в середине – пустота (???) или так называемая скрытая масса. Предположительный объем одной ячейки -1 миллион кубических парсеков. Поэтому в настоящее время вселенную считают однородной и изотропной по распространению в ней вещества. Модель Гамова не может объяснить такую Изотропность вещества вселенной.

            Сейчас разработана новая теория – теория инфляции, или теория раздувания вселенной. Гут (80-е гг.). Основывается на последних достижениях по экспериментам с элементарными частицами. Все произошло из ничего, из физического вакуума, в котором не было вещества, но была огромная энергия. Ячейка физического вакуума, не сдерживаемая гравитацией из-за отсутствия вещества, за 10-35 секунды раздувается до размеров метагалактики, после чего через 10-31 секунды энергия переходит в вещество. Это и было изначальной точкой, из которой образовалась вселенная, с ρ=1042 г/см3 и Т=1028 К.

Самое фундаментальное, что нам дала эта теория – это то, что вещество вышло из вакуума и рано или поздно исчезнет снова в этом вакууме. Исходя из этой теории, следует, что модель пульсирующей вселенной Фридмана возможна, но только при условии распада протонов. По теории инфляции в точке образования вещества соединяются все четыре фундаментальных взаимодействия (Теория Великого Объединения, Суперсила).

По современным представлениям расширяющаяся вселенная состоит из:

1. Светящееся вещество (галактики, звезды, планеты, межзвездный газ ) – барионная форма существования материи.
2. Реликтовое излучение (фотоны).
3. Темная (скрытая) материя – вещество, пока неизвестное учёным, этой массы в несколько раз больше.

Модель Хойла (50-е гг.) – взаимопревращение вещества и антивещества, модель стационарной вселенной.

Модель Зельдовича (1992) – модель «холодной» вселенной.

Модель Альфена (90-е гг.) – считает, что роль играет не только гравитационное, но и электромагнитное излучение. Вся вселенная пронизана плазмой. Экспериментально установлено, что электромагнитные силы участвуют в образовании квазаров. Реликтовое излучение – микроволновой фон, окружающий плазму.

            Галактики – изучение на компьютерном практикуме.