ТГУ. Кафедра ОиТФ. Антонов В.В.

Концепции современного естествознания. Лекция 6. - 2011-12

Лекция 6

Космологические модели Вселенной. Эпохи эволюции Вселенной

Научная революция в астрономия во второй половине XX в. изменила способ астрономического познания на «неклассический».

Научные представления о происхождении Вселенной раскрывает учение о Вселенной – космология. Научным фундаментом современной космологии являются общая теория относительности и квантовая теория поля.

Для изучения Вселенной «правила» науки не всегда приемлемы, т.к. все выводы о происхождении и развитии Вселенной представлены лишь космологическими моделями, возможными объяснениями, которые не являются законами.

Мегамир современной наукой рассматривается как системная организация из планет и планетных систем, возникших вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик; системы галактик – Метагалактики.

Уровень упорядоченности современной Вселенной (Метагалактики) определен по наблюдениям ее в основном звездного состояния, распределением галактик в ней. Метагалактика – часть изученной Вселенной, с известными космическими объектами.

До XX в. Вселенная в целом представлялась равновесной и неизменной. Но открытие «расширяющейся» Вселенной поставило вопрос о силах и энергии расширения. Ответом на него стала концепция Большого взрыва (40-е гг. XX в.), т.е. зарождение Вселенной из некоего исходного состояния с эволюцией к ныне наблюдаемому ее облику, с определенной последовательностью появления в ней химических элементов.

Например, спустя лишь «три минуты» после «взрыва» начали образовываться ядра водорода и гелия, а первые атомы легких элементов возникли через несколько сотен тысяч лет после «взрыва», и лишь с возникновением звезд, впоследствии образовалось все разнообразие таблицы химических элементов Менделеева.

Космологические модели Вселенной

Первая космологическая модель Вселенной разработана А. Эйнштейном (1917 г.), по негласному научному принципу ad hoc («для данного случая», за неимением лучшего). «Устройство» Вселенной описывалось уравнением с космологической постоянной l, которая в математической форме отображала силы отталкивания неведомой природы. Эйнштейном была введена «антигравитационная сила, без источника ее порождения, как-бы заложенной в саму структуру пространства-времени - пространство-время само по себе всегда расширяется и этим уравновешивается притяжение всей остальной материи Вселенной, а в результате Вселенная оказывается статической (стационарной).

В стационарной модели Вселенной гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием, материя распределена в среднем равномерно, время бесконечно, не имеет ни начала, ни конца; пространство безгранично, но гиперсферическое (конечно).

Такая модель Вселенной основывается на общей теории относительности (А. Эйнштейн, 1916 г.), согласно которой пространство и время определяются распределением гравитационных масс во Вселенной, «кривизной пространства» и связью кривизны с плотностью массы (энергии).

Локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводят к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. Ее геометрическая модель представляет собой «цилиндр» (цилиндрическая модель Вселенной), при этом временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Эта модель была усовершенствована астрофизиком В. де Ситтером, предположившему по наблюдаемому т.н. красному смещению звезд, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (т.е. происходит искривление по временной координате). Геометрической моделью такой Вселенной является замкнутая гиперсфера.

Стационарные модели Вселенной предполагают наличие неизвестного взаимодействия, препятствующее сжатию Вселенной под действием гравитации масс, и не решают проблему “утилизации” света, испущенного звездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.