Лекция 8. Астрономическая картина мира Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. современного естествознания и экологии ИНЖЭКОН

2 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.

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

4 Происхождение, эволюция и устройство Вселенной как целого изучаются космологией. «Космология» от греч. kosmos вселенная и logos закон. Современная космология - раздел астрономии, опирающийся на синтез научных, философских, а порой и религиозных знаний. Теории о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически труднопроверяемы и потому существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космология

5 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.

6 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.

7 Особенности релятивистской космологической модели 1. Сохранение принципа стационарности, неизменности Вселенной во времени. Эйнштейн даже видоизменил общую теорию относительности, введя в нее представление о дополнительной космической силе отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд. 2. Введение представления о конечности Вселенной, которая проявляется не через наличие границ, а через замкнутость в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к нему с противоположной стороны.

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

9 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.

10 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.

11 Модели Вселенной Фридмана 1.Случай средней плотности вещества ниже критической ( г/см 3 ). Тогда кривизна пространства должна быть отрицательной, отвечающей геометрии Лобачевского. В этом случае Вселенная должна бесконечно расширяться.

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

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

14 ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ Американский астроном Эдвин Хаббл ( ) обнаружил в 1929г. эффект «красного смещения» - понижение частот электромагнитного излучения в спектрах удаленных галактик. Δλ =λ – λ 0 Например, голубая линия в спектре водорода имеет λ 0 =486,1 нм, а в спектре звезды она имеет λ= 486, 6 нм. Δλ = 0,5 нм

15 Связь красного смещения со скоростью удаления звезды Если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая длина волн увели- чивается. (λ –λ 0 )/λ 0 = v/c = z z – относительное красное смещение; v – скорость удаления звезды; с - скорость света

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

17 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 млрд лет.

18 Сингулярность В 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр ( ) предложил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся см, а ее плотность г/см 3. В 1965 г. английский физик-теоретик Стивен Хокинг (р. 1942) математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

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

20 Этапы эволюции Вселенной 1. Адронная эра: длительность с, температура Вселенной К. Главными составляющие: элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная - разогретая плазма 2. Лептонная эра: длительность 10 с, температура К. Главные составляющие: лептоны (электроны, позитроны, и др.).

21 Этапы эволюции Вселенной 3. Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура 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).

22 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.

23 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.

24 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?

25 Модель инфляционной Вселенной Американский физик Алан Гут (р 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.

26 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.

27 Эволюция Вселенной 1.Фаза инфляции (раздувания) Промежуток от до с. Формируются простран- ственно-временные характеристики Вселенной и она «раздулась» до размера см. Скорость раздувания значительно превосходила световую. 2. Через с Вселенная перешла в область обычного гравитационного притяжения, но благодаря первона- чальному импульсу расширение продолжается, температура возрастает до К. На этом заканчивается стадия инфляции и начинается эволюция горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва.

28 Благодарю за внимание!