Общие принципы астрономии - Прошлое и будущее Вселенной
Звезды изучает астрономия (от греч. "астрон" - звезда и "номос" - закон) - наука о строении и развитии космических тел и систем. Эта классическая наука в 20 - 21 вв. переживает свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений - основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССР в 1974 г. вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м, собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.
В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение и гамма - лучи. Астрономия делится на:
Небесную механику:
Радиоастрономию;
Астрофизику и др. дисциплины.
Особое значение в настоящее время приобретает астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. Астрофизика основывается главным образом на наблюдениях.
Один из основных методов астрофизики - спектральный анализ. Если пропустить луч целого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому цвету - непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый - наиболее отклоняемый. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.
Специфика современной космологии.
Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры.
Начиная с 19 в. космологические проблемы - не дело веры, а предмет научного познания. Они решаются с помощью научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура вселенной и как она сформировалась. В 20 веке был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее, важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.
Современная космология - это сложная, комплексная и быстроразвивающаяся система естественно - научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.
Связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут "следы" тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими "следами" прежде всего, выступают фундаментальные свойства физического мира - три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами.
Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предложения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, предполагается, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.
Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения, а современной космологии - релятивистская теория тяготения. Поэтому современную космологию называют релятивистской.
Первым релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространенно бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать "кругосветные" путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную. Нестационарная релятивистская космология.
Возникновение релятивистской космологии было величайшим достижением естествознания XX в. Однако сразу после ее создания выяснилось, что многие ее основополагающие представления и понятия оставались в плену у классической физики, ньютоновской картины мира. Ощущалась потребность в радикальном разрыве с устаревшими космологическими представлениями. С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик - теоретик А. А. Фридман.
Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной и должна либо расширяться, либо сжиматься. Встретив решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика.
Космологическое расширение. Эффект Доплера. Красное смещение. Закон Э. Хаббла.
Удивительное открытие совершил американский астроном Э. П. Хаббл, исследовав фотографии туманности Андромеды (спиральная галактика, как и млечный путь, однако содержит почти вдвое больше звезд). На полученных снимках были видны отдельные звезды и их скопления. Таким образом, было впервые доказано, что есть объекты, находящиеся вне нашей галактики, - другие галактики. Изучая спектры галактик, Хаббл обнаружил смещение полос спектра в красную сторону, так называемое красное смещение. Это эффект был предсказан еще в 19 в. австрийским ученым К. Доплером. В случае приближения источника света длина световых волн укорачивается (смещается в фиолетовую область спектра), при удалении - увеличивается (смещается в красную часть спектра). Изучения спектров далеких галактик подтверждают удаление галактик по всем направлениям от земли.
Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной.
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность). Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
- 1. Принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2. Экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А. А. Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого кранного смещения.
"Красное смещение" - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Открытие "красного смещения" позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.
Если Вселенная расширяется, значит, она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной часть Вселенной является представление о Большом взрыве, прошедшем примерно 12 -18 млрд. лет назад. "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы".
Все существующее в мире вещество образовалось за доли секунды в бесконечно малом объеме и тут же начало разлетаться во все стороны с непредставимо высокой скоростью. В ходе этого расширения Вселенной ее вещество, исходно обладающей высочайшей температурой, стало остывать. По мере охлаждения мельчайшие элементарные частицы объединились в протоны и нейтроны, которые в свою очередь, образовали атомы газов водорода и гелия. На их долю и сейчас приходится основная масса вселенной.
Масштаб Вселенной.
Масштаб Вселенной состоит из структур, объединяющихся во все более крупные системы. Земля - всего одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца, а Солнце одна из 200 млрд. звезд галактики Млечный Путь. Сам он, в свою очередь входит в галактическое скопление, называемое Местной Группой (диаметром в 2,5 млн. световых лет). Она состоит из нескольких десятков галактик и включает в себя нашу галактику (Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеланновое Облако и др.), а та вместе с полусотней аналогичных скоплений - в Местное Сверхскопление. Между сверхскоплениями галактик Вселенная пуста - там практически нет вещества. Пока эта самая крупная известная нам во Вселенной система.
Наша Галактика.
Особый интерес вызывает вопрос о том, что представляет собой наш звездный дом - наша Галактика. Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - просо ближайшие к нам звезды нашей Галактики Большая же часть галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Благодаря этому (в отличие от других галактик) нашу Галактику может легко наблюдать на небе каждый: на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы "с ребра". Средний телескоп позволяет различить в Млечном Пути миллиарды отдельных звезд.
Наша Галактика - гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, которые образуют две подсистемы:
- 1. центральную, имеющую сферическую форму. 2. дискообразную, выходящую краями за пределы шара.
На расстоянии двух третей радиуса диска от центра находится наша звезда - Солнце. Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа; она пронизана магнитными полями, заполнена комическими лучами.
Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды различаются по физическим, химическим характеристикам, особенностям орбит, возрасту и др. Есть старые звезды и молодые (около 100 тыс. лет), некоторые звезды рождаются в настоящее время. Подавляющее большинство звезд имеет "средний" возраст - несколько миллиардов лет. К ним относится и наше солнце - рядовая звезда нашей Галактики, - которое расположено ближе к ее краю. Примерно в 25 000 световых лет от ядра Галактики.
Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом. Благодаря вращению наша галактика имеет спиральную форму, широко распространенную во Вселенной. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды также имеет спиральную форму и очень красивая на фотографиях.
Особый интерес для астрономов представляет центр Галактики. Наблюдать в оптические телескопы центр Галактики не удается из-за мощного слоя межзвездной пыли, ослабляющего свет в десятки тысяч раз. Зато он доступен наблюдениям в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. Данные внеоптической астрономии, а также наблюдения в оптические телескопы за движением близких к центру Галактики звезд позволяют сделать убедительный вывод, что ядром Галактики является черная дыра.
К счастью, расположена в центре нашей Галактики, черная дыра невелика, по сравнению с ядрами других галактик и не активна в той мере, в какой бывают, активны ядра галактик, грандиозные взрывы которых с энергией примерно 1060 Эрг заявляют о себе буквально на всю Вселенную.
Метагалактика
Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть вселенной.
Одно из важнейших свойств Метагалактики - ее постоянное расширение, о чем свидетельствует "разлет" скоплений галактик. Доказательством того, что скопления галактик удаляются друг от друга, являются "красное смещение" в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое внегалактическое излучение, соответствующее температуре около 2,7 К).
Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что сами галактики в прошлом были протяжными и разряженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение.
Другое важное свойство Метагалактики - равномерное распределение в ней вещества (основная масса которого сосредоточена звездах). В современном состоянии Метагалактика - однородная в масштабе порядка 200 Мпк. Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале расширения метагалактики неоднородность материи вполне могла сосуществовать. Поиски следов неоднородности прошлых состояний метагалактики - одна из важнейших проблем внегалактической астрономии.
По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Галактики разбросаны по вселенной более или менее беспорядочно, однако они обычно собраны в группы. Подобные группы галактик - "атомы" космологии. Космология рассматривает поведение вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках (хотя они могут быть очень важными), редко становятся существенными для космологии.
Похожие статьи
-
Историческое развитие представлений о Вселенной - Прошлое и будущее Вселенной
Еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили свое представление о Вселенной, как о...
-
Рождение сверхгалактик и скоплений галактик - Прошлое и будущее Вселенной
Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или...
-
Будущее Вселенной - Открытие взрывающейся Вселенной
Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах - открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что...
-
Начало Вселенной - Прошлое и будущее Вселенной
Вселенная постоянно расширяется. Тот момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Первую эру в истории вселенной называют...
-
Введение - Прошлое и будущее Вселенной
Космологический вселенная галактика астрономия Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его,...
-
Антропный принцип, выдвинутый Картером, несмотря на его формулировку, не является вариантом принципа наблюдаемости. В контексте научной картины мира...
-
Эволюция Вселенной, Будущее расширяющейся Вселенной - Теории происхождения Вселенной
Будущее расширяющейся Вселенной Даже если Вселенная начала расширяться в момент Большого взрыва, не означает, что ее расширение будет длиться вечно. По...
-
Расширение Вселенной и красное смещение
Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и...
-
Сценарии будущего Вселенной - Прошлое и будущее Вселенной
Любопытно знать не только далекое прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое....
-
Общее представление о ракетах - Ракеты прошлого и будущего
Ракета - летательный аппарат, движущийся вследствие отбрасывания высокоскоростных горячих газов, создаваемых реактивным двигателем. Обычно энергия для...
-
Будущее Вселенной - Эволюция и происхождение Вселенной
В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,-- будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий...
-
"Предыстория Вселенной" и астрономическая картина мира - Астрономия и современная картина мира
Все сущее в мире рождается из бытия. А бытие рождается из небытия. Лао Цзы Первые 10-43 секунды. В истории развития НКМ всегда очень существенным было...
-
Будущее Вселенной - Теории происхождения Вселенной
В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,-- будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий...
-
Модели будущего вселенной - Эволюция Вселенной
Каково же будущее Вселенной? Многие выдающиеся ученые ХХ века неоднократно задавались этим вопросом. В 1917г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о...
-
Заключение - Космологические модели Вселенной
Все, что здесь до сих пор было сказано, - это только гипотезы, основанные на некоторых реальных фактах. Однако, те же самые факты можно трактовать и...
-
Строение и эволюция Вселенной - Происхождение и развитие галактик и звезд
Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся...
-
Красное смещение спектров излучения галактики - Основные характеристики Вселенной
Понятие "Вселенная" означает Космос, доступный человеческому наблюдению. Вселенную изучает наука космология. Ее цель выявление и изучение законов,...
-
Модель расширяющейся Вселенной - Сущность Галактики
В основе расширяющейся модели заключены два предположения: более полное описание гравитационного поля является уравнение Эйнштейна. Т. е. можно...
-
Эдвин Хаббл и его исследования - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. Для...
-
Космологические модели Вселенной - Космологические модели Вселенной
Метагалактика космология параллактический вселенная Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики,...
-
ВСЕЛЕННАЯ. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ - Астрономическая картина мира
Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественно-научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских...
-
Модель расширяющейся Вселенной - Эволюция Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей...
-
Заключение - Прошлое и будущее Вселенной
Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за...
-
Будущее Вселенной - Происхождение Вселенной
Оставляя в стороне спорный вопрос, касающийся образования галактик, посмотрим, что говорят современная теория и данные наблюдений относительно будущего...
-
Вселенная как целое в научной картине мира - Астрономия и современная картина мира
Обращаясь к проблеме методологического обоснования современной космологии, мы не можем не коснуться вопроса о надобности такой процедуры. Действительно,...
-
Случайность в научной картине Вселенной - Астрономия и современная картина мира
Научная мысль в процессе познания Вселенной всегда включала в себя идею случая. При этом исторически произошли весьма интересные изменения в самой...
-
Слабый антропный принцип - Астрономия и современная картина мира
Слабый АП не вызывал особых дискуссий, вокруг него - в отличие, например, от сильного АП - научные страсти не кипели. Это понятно: ключевая для слабого...
-
О "термодинамике Вселенной" - Астрономия и современная картина мира
- А зачем им вообще эта дурацкая энергия? - Видишь ли, мальчик, эти славные существа вбили себе в голову, что вечного двигателя построить нельзя! - Не...
-
БУДУЩЕЕ - Космонавтика: прошлое, настоящее, будущее
Однако при сохранении нынешних тенденций развития космонавтики, она никогда не станет заметной частью мирового хозяйства. Более того, уже можно...
-
Образование Вселенной - Происхождение Вселенной
Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым...
-
Теория тяготения от Ньютона до Эйнштейна - Основные характеристики Вселенной
В 19-е столетии подтверждение начала вселенной накапливались. Земля и остальная часть вселенной, фактически изменились со временем. С одной стороны,...
-
Теория Большого взрыва "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем...
-
Современная модель Вселенной - Основные характеристики Вселенной
Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах - открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что...
-
Образование вселенной - Вселенная: ее эволюция и строение
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный...
-
Возникновение и развитие объектов нашей Вселенной связано с ее эволюцией как целого. Когда это было осознано, познание Вселенной пошло в двух...
-
Фрактальная Вселенная - Астрономия и современная картина мира
...Что, не поймешь Природу ты? Лик Космоса - чужд и ужасен? Узри фрактальные черты, и ты увидишь - Мир прекрасен! Необъясним Природы ритм? Мрак черных...
-
Период активных исследований нашего естественного спутника продолжался вплоть до 1976 года. Всего за это время на Луне и в окололунном пространстве...
-
Процессы самоорганизации в ранней Вселенной - Астрономия и современная картина мира
Современные представления об эволюции Вселенной основываются на стандартной космологической модели Большого взрыва, которая подтверждается наблюдаемым в...
-
ЕЩЕ ДАЛЬШЕ - Космонавтика: прошлое, настоящее, будущее
Космос циолковский орбитальный Но, в конце концов, и Солнечная система имеет вполне конечные размеры. Что же будет, когда все планеты и их спутники,...
-
Современная наука о происхождении Вселенной - Гипотеза происхождения Вселенной
На нынешней стадии развития физической космологии на передний план выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности сценария...
Общие принципы астрономии - Прошлое и будущее Вселенной