Опишите космологическую модель вселенной в рамках общей теории относительности кратко

Обновлено: 05.07.2024

Исходя из таких соображений, Эйнштейн ввел космическую силу отталкивания, которая делала мир стационарным. Эта сила универсальна: она зависит не от массы тел, а только от расстояния, их разделяющего. Ускорение, которое эта сила сообщает любым телам, разнесенным на расстояние, должно быть пропорционально расстоянию. Силы отталкивания, если они, конечно, существуют в природе, можно было бы обнаружить в достаточно точных лабораторных опытах. Однако малость величины делает задачу ее лабораторного обнаружения совершенно безнадежной. Действительно, это ускорение пропорционально расстоянию и в малых масштабах ничтожно. Легко подсчитать, что при свободном падении тела на поверхность Земли добавочное ускорение в 10 30 раз меньше самого ускорения свободного падения. Даже в масштабе Солнечной системы или всей нашей Галактики эти силы ничтожно малы по сравнению с силами тяготения.. Разумеется, это отталкивание никак не сказывается на движении тел Солнечной системы и может быть обнаружено только при исследовании движений самых отдаленных наблюдаемых галактик.

Так, в уравнениях тяготения Эйнштейна появилась космологическая постоянная, описывающая силы отталкивания вакуума. Действие этих сил столь же универсально, как и сил всемирного тяготения, т. е. оно не зависит от физической природы тела, на котором проявляется, поэтому логично назвать это действие гравитацией вакуума.

Через несколько лет после работы Эйнштейна, А. А. Фридманом была создана теория расширяющейся Вселенной. А. Эйнштейн сначала не соглашался с выводами советского математика, но потом полностью их признал.

После открытия Э. Хабблом расширения Вселенной какие-либо основания предполагать, что в природе существуют космические силы отталкивания, казалось бы отпали.

Что будет, если из Вселенной убрать все вещество? На первый взгляд кажется, что такая операция совершенно абстрактна и получаемая модель будет соответствовать лишь воображению теоретиков. Но это вовсе не так и ничего фантастического или тем более наивного в такой операции нет. В истории Вселенной, по-видимому, был период, когда она была практически пуста, свободна от обычной физической материи, и модель пустой Вселенной описывала тогда ее эволюцию.

Итак, следуя де Ситтеру, уберем из Вселенной все вещество. Поместим в нашу пустую Вселенную две свободные пробные частицы на расстоянии друг от друга. Частицы называются пробными, так как предполагается, что их массы достаточно малы, чтобы не влиять на их относительное движение, а свободными они называются потому, что на них не действует никакая сила, кроме гравитации. Во Вселенной это могут быть, например, две галактики, расположенные достаточно далеко друг от друга. Тогда отрицательная гравитация заставляет обе галактики двигаться друг от друга с ускорением, пропорциональным расстоянию. Если по ускорению найти скорость, а затем изменение расстояния со временем, то легко показать, что относительная скорость частиц-галактик будет стремительно нарастать.

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света.

Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик Фридман А. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.

Космология – наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной.

Теория Большого взрыва, или, как она первоначально называлась, модель горячей Вселенной – космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной как целого. Её предложил российский и американский физик Гамов Г.А.

Радиус Вселенной – оценивается с помощью закона Хаббла, R = 1,3 ∙ $10^$ св. лет = 1,24 ∙ $10^$ м.

Возраст Вселенной – оценивается с помощью закона Хаббла, t = 13 ∙ $10^$ лет.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер будущего движения (расширения или сжатия) Вселенной $ρ_$ = 10$^ кг/м^3$.

Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической ( ρ $>$ $ρ_$), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической ( ρ ≤ $ρ_$), расширение не прекратится. Наблюдаемое разбегание галактик указывает на расширение Вселенной.

Реликтовое излучение – излучение, которое осталось от горячего состояния вещества в начале расширения Вселенной.

Тёмная материя – гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним.

Тёмная энергия – гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.

Хронология истории Вселенной в представлении Карла Сагана

Модель Вселенной

В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, как сейчас. Астрономия была статичной: изучалось движение планет и комет, описывались звезды, создавалась их классификация. Вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:

- пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов процессов;

- пространство и время метрически бесконечны;

- пространство и время однородны и изотропны;

- Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции.

Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой свойства пространства и времени определяются распределением гравитационных масс во Вселенной.

Современная космология строит модели Вселенной, базируясь на основном уравнении тяготения, выведенном А.Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.

Первая модель была разработана А.Эйнштейном в 1917 г. В соответствии с этой моделью Вселенной мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель Эйнштейна носит стационарный характер, свойства пространства рассматриваются независимо от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. она не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Сочетание безграничности, и в тоже время конечности, можно проиллюстрировать на примере шара. Для двумерного существа, могущего перемещаться только по поверхности шара, у него нет границ, в тоже время размер поверхности шара конечен. Размеры шара могут увеличиваться, уменьшаться, пульсировать, оставаясь при этом конечными.

В настоящее время считается достоверным наблюдательным фактом изотропность и однородность Вселенной. При этом отвлекаются от мелкомасштабной (по сравнению со всей наблюдаемой Вселенной) неоднородностью, которая проявляется в существовании галактик и их скоплений. Однородность и изотропность Вселенной следует понимать в больших масштабах. Хаббл обнаружил, что число галактик увеличивается пропорционально расстоянию до них, то есть, несмотря на локальные неоднородности в самой галактике, межгалактическое пространство со всеми звездными скоплениями и галактиками образует близкую к однородному состоянию структуру Вселенной.

Ни в одном направлении не обнаружено явных отклонений от однородности в больших масштабах. Эта высокая однородность не исключает структурированности в виде скоплений галактик. Другими словами, Вселенная однородна в больших масштабах и неоднородна в малых. Решающим аргументом в пользу однородности и изотропности Вселенной является изотропия реликтового излучения горячей Вселенной, наблюдаемого на Земле в настоящее время. Изотропия излучения свидетельствует об одинаковости условий в различных направлениях от нас.

В 1917 г. голландский астроном де Ситтер предложил другую модель, являюшуюся решением уравнения тяготения. Решение перестало быть стационарным, возникло некоторого рода космологическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению становилась заметной лишь на больших расстояниях.

Современная космология представляет собой обширную, быстро развивающуюся область знания. Теоретической основой ее явились космологические модели советского математика А.Фридмана, а наблюдательной основой

– открытие американским астрономом Хабблом красного смещения в спектрах галактик.

В 1922 г. математик и геофизик А.А.Фридман отбросил постулат о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Фридман доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься.

Существуют несколько решений уравнения тяготения Эйнштейна, для которых характерна эволюция Вселенной. Общим для этих решений является представление об изотропности и однородности Вселенной с течением времени. Это утверждение называют космологическим постулатом.

Решение уравнений А.Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (10 -29 г/см 3 ), то мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная в этом случае неограниченно расширяется из первоначального точечного состояния. (Геометрия Евклида – это геометрия на плоскости. Кривизна пространства в ней равна нулю. Сумма углов в треугольнике равна 180 градусам. Через точку можно провести только одну прямую, параллельную данной прямой). Такая модель Вселенной получила название модели Эйнштейна – де Ситтера. Вселенная в этой модели является открытой и бесконечной.

Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и Вселенная так же неограниченно расширяется. (Геометрия Лобачевского - геометрия на псевдосфере. Кривизна пространства в ней отрицательна. Сумма углов в треугольнике меньше 180 градусов. Через точку можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной). Эту модель Вселенной иногда называют моделью Фридмана – Леметера. Вселенная в этой модели открытая и бесконечная.

Если плотность больше критической, то пространство обладает геометрией Римана. (Геометрия Римана – это геометрия на сфере. Кривизна пространства в ней положительна. Сумма углов в треугольнике больше 180 градусов. Через точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной). Вселенная в этой модели была когда-то сверхплотной и занимала малый объем. Затем она стала расширяться, расширение на некотором этапе сменится сжатием, которое будет продолжаться вплоть до первоначального точечного состояния. Такая Вселенная называется пульсирующей, ее объем ограничен. Вселенная в этой модели является закрытой и конечной.

Леметером предложено решение, в котором пространство обладает геометрией Римана. Вселенная в этой модели расширяется вечно, но имеется квазистатическая фаза. Вселенная в модели Леметера является конечной и закрытой.

Таким образом, в зависимости от кривизны пространства различают:

- открытые модели Вселенной, в которых кривизна пространства отрицательна или равна нулю;

- закрытые модели с положительной кривизной.

До недавнего времени считалось, что средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической, так что более вероятной представлялась модель Фридмана – Леметера с геометрией Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная с отрицательной кривизной. Недавно получены данные, что пространство обладает геометрией Евклида. Но и в этом случае модель Вселенной получается открытой, в ней Вселенная расширяется вечно.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. При изучении далеких галактик был обнаружен эффект красного смещения спектральных линий, являющийся следствием эффекта Допплера, вызванного тем, что галактики удаляются от нас. В 1929г. американский астроном Э.Хаббл обнаружил, что все галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: U=Hr, где Н=4х10 17 с -1 – постоянная Хаббла, r – расстояние до галактики.

Таким образом, в настоящее время наблюдается расширение Вселенной. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если средняя плотность окажется больше критической, то через 30 млрд. лет расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием. В общей теории относительности критическая плотность определяется величиной 10 -29 г/см 3 , а средняя плотность вещества во Вселенной по современным представлениям оценивается в 3х10 -31 г/cм 3 , т.е. в 30 с лишним раз меньше. Этот вывод противоречит установленному факту евклидовости геометрии нашей Вселенной. Но определение плотности вещества во Вселенной пока ненадежно. Во Вселенной могут присутствовать еще необнаруженные виды материи (темная материя, темная энергия).

Плотность, геометрическая структура и будущее Вселенной связаны между собой. Поэтому делать выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.

Классическая ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:

- пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов процессов;

- пространство и время метрически бесконечны;

- пространство и время однородны и изотропны;

- Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции.

Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

– открытие американским астрономом Хабблом красного смещения в спектрах галактик.

Таким образом, в зависимости от кривизны пространства различают:

- открытые модели Вселенной, в которых кривизна пространства отрицательна или равна нулю;

- закрытые модели с положительной кривизной.

Происхождение Вселенной – это вопрос, которым задавалось человечество с незапамятных времен. Устройство Вселенной интересовало уже древних ученых, их взгляды и идеи были основополагающими компонентами философских систем. Такие космологические идеи, возникшие в древности и сохранившиеся до наших дней в форме легенд и мифов, были основаны на астрономических наблюдениях. Жрецы древних цивилизаций в процессе астрономических наблюдений сумели точно определить продолжительность года, цикл повторения затмений, а также выявить две группы небесных тел – подвижные и неподвижные.

Неподвижными, по мнению древних астрономов, являлись звезды, а подвижными – Солнце, Луна и пять планет, известных на то время:

В честь подвижных небесных тел неделя была разделена на семь дней, каждый из дней связан с одним подвижным небесным телом. В процессе наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.

С появлением философии и науки, сменивших мифологию, ответы на подобные вечные вопросы стали искать в рамках философских концепций. Таким образом, в период античности появились космологические модели Вселенной, предложенные Платоном, Демокритом, Пифагором, и первые гелиоцентрические модели Вселенной.

Идея о том, что Земля вращается вокруг Солнца, была выдвинута Аристархом Самосским, однако гелиоцентрические идеи не были признаны. Признанным итогом космологии в период античности, просуществовавшей и в весь период Средневековья, стала геоцентрическая модель Вселенной, предложенная Аристотелем и доработана Птолемеем. Геоцентрическая концепция была весьма сложной ввиду необходимости введения деферентов и эпициклов, что требовалось для компенсации видимого движения планет.

В период Нового времени первенство в создании идей космологии перешло науке, философия отошла на второй план. Особенно большие успехи были достигнуты в ХХ в., когда был совершен переход от догадок к подтвержденным фактам, обоснованным теориям, гипотезам.

Готовые работы на аналогичную тему

В 16 в. Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель Вселенной, согласно которой центром Вселенной является Солнце, а планеты вращаются вокруг него.

17-19 вв. для космологии и космогонии ознаменовались созданием полицентрической картины мира, которая явилась началом развития научной космологии. Принципы полицентрической модели Вселенной выглядят следующим образом:

Вселенная вечна, она бесконечна в пространстве и времени
движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения
пространство не связано с объектами, находящимися в нем
время независимо от материи, время – универсальная длительность всех природных явлений и объектов
исчезновение всех тел не приведет к изменениям в пространстве и времени, то есть пространство и время постоянны.
во Вселенной бесконечное множество звезд, планет и звездных систем. Все небесные тела проходят жизненный путь, погасшие звезды сменяются новыми.

Эта модель, казавшаяся логически стройной и лишенной противоречий, существовала до ХХ в.

В этой модели Вселенной было несколько недостатков. Для объяснения непонятных явлений было предположено существование божественного первотолчка, вмешательством Бога объяснялась и коррекция космических тел, то есть данная модель Вселенной не могла дать научного объяснения происхождению Вселенной. Вследствие этого появились космологические парадоксы.

Космологические парадоксы

Фотометрический парадокс. Этот парадокс касается пространственной бесконечности Вселенной. Швейцарский ученый Р. Шезо предположил, что если принцип бесконечности Вселенной справедлив, и в ней существует бесконечное множество равномерно распределенных звезд, то наблюдатель в любом направлении мог бы их обнаружить, и в этом случае небосвод имел бы бесконечную светимость, и Солнце на его фоне выглядело бы, как черное пятно. Такие же выводы независимо от Шезо сделал немецкий ученый Ф.Ольберс. данное утверждение, впервые поставившее пространственную бесконечность Вселенной под сомнение, получил название фотометрического парадокса.

Другой парадокс, вытекавший из принципа бесконечности Вселенной, называется гравитационным парадоксом. В соответствии с этим парадоксом, в бесконечной Вселенной, в которой все тела распределены равномерно, сила тяготения всех тел Вселенной является бесконечно большой. Так как этого не наблюдается, значит, количество небесных тел не является неограниченным, а значит, попадает под сомнение и бесконечность Вселенной.

Из принципа возрастания энтропии вытекает третий парадокс. Английский ученый Кельвин и немецкий физик Клаузиус предположили, что при превращениях различные виды энергии в итоге преобразуются в тепловую, которая, в свою очередь, рассеивается в пространстве, так как стремится к состоянию термодинамического равновесия. Данный процесс является необратимым, а соответственно, когда-либо все звезды погаснут, прекратятся все активные процессы, и наступит тепловая смерть Вселенной. Таким образом, подвергся сомнению и принцип вечности Вселенной. Этот парадокс получил название термодинамического парадокса.

Эти три сформулированных парадокса поставили под сомнение классическую космологическую модель Вселенной и привели к необходимости поиска новой непротиворечивой модели.

Космологические модели Вселенной в современной науке

Современная наука определяет мегамир как единую систему, в состав которой входят все небесные тела и диффузная материя. Современная космология основывается на общей теории относительности, и получила название релятивистской.

В науке на данный момент существует несколько моделей Вселенной. Объединяет их представление о изотропном, однородном, нестационарном характере Вселенной.

Существует несколько моделей Вселенной, общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере Вселенной:

Читайте также: