Астрономическая картина мира

Лекция №8. Астрономическая картина мира

Структурные уровни материи Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни: 1. Микромир - элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы; 2. Макромир - комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера; 3. Мегамир - планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика.

Астрономия Слово «астрономия» происходит от греческих astron — звезда и nomos — закон. Современная астрономия изучает процессы, протекающие макро- и мегамире.

Космология

Ограниченность классической космологии (представления о вечной и бесконечной Вселенной) 1. Гравитационный парадокс. Предположение о бесконечности Вселенной ведет к призна- нию бесконечности действующих в ней сил тяготения. Это должно было бы привести к коллапсу Вселенной, что противоречит ее вечности. 2. Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число тел, а значит, светимость неба тоже должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

Стационарная релятивистская космологическая модель Создана в 1917 г. А. Эйнштейном. В ее основу положена общая теория относительности. Вселенная рассматривалась Эйнштейном как вечная, статичная, не развивающаяся, симметричная во времени и пространстве.

Особенности релятивистской космологической модели

Космологическая концепция Фридмана В 1922 г. российский математик и физик Александр Александрович Фридман (1888- 1925) выступил с критикой теории Альберта Эйнштейна и предложил свою концепцию.

Принципы концепции Фридмана 1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства. а) Слабый вариант предполагает независимость процессов от направления и места. б) Сильный предполагает независимость процессов не только от направления и места, но и времени. 2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи. Пространственно-временные свойства Вселенной за- даются гравитационными полями и описываются ура- внениями общей теории относительности. Признаются явления искривленности пространства и замедления времени.

Принципы концепции Фридмана 3. Принцип конечной скорости протекания любых физических процессов. 4. Принцип нестационарности Вселенной: искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.

Модели Вселенной Фридмана

Модели Вселенной Фридмана 2. Случай плотности вещества равной критической (10-29 г/см 3). В этом случае пространство обладает нулевой кривизной, отвечающей геометрии Евклида. Вселенная также должна неограниченно расширяться с постепенным уменьшением скорости расширения.

Модели Вселенной Фридмана 3. Случай плотности выше критической (10-29 г/см 3). В этом случае кривизна пространства изменяется с отрицательной на поло- жительную. Вселенная должна перио- дически расширяться и сжиматься.

ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ

Связь красного смещения со скоростью удаления звезды Если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая длина волн увели- чивается. (λ –λ0)/λ0 = v/c = z z – относительное красное смещение; v – скорость удаления звезды; с - скорость света

Расширяющаяся Вселенная Поскольку излучение большинства звезд показывает красное смещение, то Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна.

Оценка времени существования Вселенной Если бы скорость расширения была постоянной то можно было бы оценить возраст в 18 млрд лет, если расширение Вселенной постепенно замедляется, то в 12 млрд лет, если существуют космические силы отталкивания, то в 12-20 млрд лет.

Сингулярность

Гипотеза Большого взрыва (модель горячей Вселенной) В 40-е годы XX в. предложена американским физиком русского происхождения Джоржем (Георгием Антоновичем) Гамовым (1904-1968). Согласно этой гипотезе эволюция Вселенной после взрыва из перво- начального состояния сингулярности происходила поэтапно. Этапы эволю- ции Вселенной называются эрами

Этапы эволюции Вселенной 3. Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура 10 000 К. Преобладает излучение, а вещество ионизировано. 4. Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной. Возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной (эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К - реликтовое излучение).

Экспериментальное подтверждение гипотезы Большого взрыва В середине 1960-х годов на основе модели горячей Вселенной астрофизиками из СССР и Великобрита- нии были вычислены ожидаемые характеристики реликтового излучения. РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – космическое элек- тромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при темпе- ратуре около 3 К. При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Открытие реликтового излучения В 1964 г. радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» провели измерения ра- диоизлучения межзвездной среды на волне длиной 7, 35 см. Они обнаружили на длине волны 7, 35 см микроволновый шум, не зависящий от направления и времени суток, а также и от времени года. Это свидетельствовало, что эти радиоволны, прихо- дят не от Млечного Пути, а от значительно больше- го объема Вселенной.

Остающиеся вопросы Гипотеза Большого Взрыва не дает ответа на некоторые вопросы. 1. Каковы причины образования галактик из ионизированного газа? 2. Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества?

Модель инфляционной Вселенной Американский физик Алан Гут (р. 1947 г. ) предложил для описания первых мгновений существования Все- ленной. Развита в трудах ряда отечественных и зарубежных физиков. Модель не противоречит гипотезе Большого Взрыва, включая ее в качестве своего частного случая. Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума.

Физический вакуум Физический вакуум - форма материи, которая представляет собой невозбужденное состояние квантовых полей разных типов. В нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. Вселенная — один из «пузырей», возникших из вакуумной пены.

Эволюция Вселенной Фаза инфляции (раздувания) Промежуток от 10-43 до 10-34 с. Формируются простран- ственно-временные характеристики Вселенной и она «раздулась» до размера 10100 см. Скорость раздувания значительно превосходила световую. 2. Через 10-34 с Вселенная перешла в область обычного гравитационного притяжения, но благодаря первона- чальному импульсу расширение продолжается, температура возрастает до 1029 К. На этом заканчивается стадия инфляции и начинается эволюция горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва.

Благодарю за внимание!