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
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 трудно проверяемы и потому существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей.
Ограниченность классической космологии (представления о вечной и бесконечной Вселенной)
1. Гравитационный парадокс. Предположение о бесконечности Вселенной ведет к признанию 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
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.
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 задаются гравитационными полями и описываются уравнениями общей теории относительности. Признаются явления искривленности пространства и замедления времени.
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
1. Случай средней плотности вещества ниже критической (10-29 г/см 3). Тогда кривизна пространства должна быть отрицательной, отвечающей геометрии Лобачевского. В этом случае Вселенная должна бесконечно расширяться.
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.
3. Случай плотности выше критической (10-29 г/см 3). В этом случае кривизна пространства изменяется с отрицательной на положительную. Вселенная должна периодически расширяться и сжиматься.
ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ
Американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) обнаружил в 1929г. эффект «красного смещения» - понижение частот электромагнитного излучения в спектрах удаленных галактик. Δλ =λ – λ0
Например, голубая линия в спектре водорода имеет λ0 =486,1 нм, а в спектре звезды она имеет λ= 486, 6 нм. Δλ = 0,5 нм.
Связь красного смещения со скоростью удаления звезды
Если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая длина волн увеличивается. (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
В 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр (1894-1966) предложил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10 -12 см, а ее плотность— 1096 г/см3.
В 1965 г. английский физик-теоретик Стивен Хокинг (р. 1942) математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели, расширяющейся Вселенной.