12 апреля 1961 г. Юрий Гагарин стал первым человеком, отправившимся в космос. С тех пор в СССР и дружественных странах отмечали День космонавтики. А в 2011 году эту дату утвердили как Международный день полета человека в космос. На нашем портале апрель – космический месяц. Сегодня расскажем о фундаментальной науке, посвященной изучению тайн космоса, – космологии.
Легенды древних – первые объяснения мироустройства
Космология – раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Сегодня основные данные для изучения космоса получают с помощью астрономических наблюдений, однако до появления специальной оптики и инструментов во времена наших предков космологию заменяли космогония и эсхатология – религиозные мифы о сотворении мира и конце света.
Прообразы Вселенной невероятно разнообразны, но совсем не научны: древние китайцы считали, что мир – панцирь сухопутной черепахи, а Земля покрыта небом, как пологом колесницы, который вращается, подобно зонту. Древнегреческие философы досократики полагали, что начало всему положил невероятной силы вихрь, а со времен Аристотеля магическую силу Вселенной стали приписывать веществу под названием «эфир». Во времена Средневековья в Европе Вселенная воспринималась как божественное творение, не отрицалось и то, что Создатель мог сотворить и другие миры, подобные нашей планете.
Новаторской в эпоху Возрождения стала космология Николая Кузанского (трактат «Об ученом незнании»). Автор высказал теорию единства Вселенной и предположил, что Земля – одна из множества планет, обладающих самостоятельной траекторией движения. Однако формы сфер не являются абсолютными, а траектории движения – зафиксированными. Во многом из этого рождается идея безграничной, однако конечной, Вселенной, не имеющей постоянного центра и четких границ.
В первой половине XVI века появляется начальное представление о гелиоцентрической системе. Выдающейся фигурой этого периода становится Николай Коперник. Коперник придерживался средневекового представления о Вселенной как об ограниченной сфере неподвижных звёзд. Однако появились верные представления о расположении планет: в центре всего оказалось Солнце.
Дальше исследователи сделали важный шаг от гелиоцентризма к осознанию бесконечности Вселенной, равномерно заполненной звёздами. Первопроходцем стал итальянский философ Джордано Бруно. Он утверждал, что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы. В конце XVI века к мысли о бесконечности Вселенной примкнул Уильям Гильберт, а затем эту идею развили Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс.
Ближе к реальности – зарождение космологии
Современная космология получила свое развитие после того, как Альберт Эйнштейн открыл общую теорию относительности. Он обозначил три важных предположения о том, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Стационарность он объяснял посредством математического уравнения гравитационного поля. Решение этого уравнения доказывало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну. Это позволило анализировать полученные астрономические данные и интерпретировать их. С начала 1920-х годов космология постепенно начала переходить из области философии мироустройства в область точных наук.
В 1922 году Александр Александрович Фридман предложил нестационарное решение уравнения Альберта Эйнштейна. Дополнительным подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Эдвином Хабблом космологического красного смещения галактик. Так сформировалась хорошо известная сегодня модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось из очень плотного и горячего состояния. Популярностью пользуется и стационарная модель, где мир существует вечно и не имеет ни начала, ни конца.
Современная космология условно делится на две школы: эмпириков и теоретиков. Первые интерпретируют только полученные путем наблюдения данные, не проецируя свои выводы на неизученную сферу, в то время как вторые активно изобретают новые теории и пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную путем всевозможных гипотез.
Система координат – игра по правилам
Космологические данные – это четко установленное понятие, которое подразумевает результаты экспериментов и наблюдений, относящихся к вопросам Вселенной. Любая предлагаемая космологическая модель должна объяснять 6 наблюдательных фактов:
- Вселенная однородна и изотропна, что означает равномерное распределение галактик во Вселенной, в то время как их движение хаотично. Таким образом, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную одинаково однородной как вдалеке, так и вблизи нас.
- Вселенная постоянно расширяется, так как галактики отдаляются друг от друга. Это открытие, сделанное Э. Хабблом в 1929 году. Закон Хаббла звучит так: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Этот закон выдержал проверку современной оптикой и оборудованием.
- Пространство вокруг Земли заполнено микроволновым радиоизлучением, которое было открыто в 1965 году. Основное свойство этого излучения – высокая изотропность, что означает его однородность в различных областях Вселенной.
- Возраст планет, метеоритов и звезд не имеет огромной разницы с возрастом Вселенной (вычислен по скорости расширения). Современные измерения дают Вселенной около 20 млрд. лет.
- В любой наблюдаемой точке Вселенной на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия.
- В областях Вселенной, удаленных от нас в пространстве и во времени, больше активных галактик и квазаров, чем рядом с нами, что указывает на эволюцию Вселенной.
Вопросы без ответа – проблемы теории Большого взрыва
Несмотря на то, что теория Большого взрыва одна из самых популярных теорий зарождения Вселенной, существуют некоторые вопросы, ответы на которые ученым предстоит найти:
1. Проблема сингулярности: ученые сомневаются в повсеместной применимости общей теории относительности.
2. Проблема изотропности Вселенной: странно, что начавшееся с сингулярного (единичного) состояния расширение оказалось столь изотропным (однородным).
3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная достаточно неоднородна (галактики, скопления галактик). Ученые продолжают изучать возможности неоднородных моделей Большого взрыва.
4. Остается открытым вопрос: Каково будущее Вселенной? Если Вселенная замкнутая, то она не имеет границ, но ее объем конечен. Если же плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно.
Взгляд по сторонам – другие теории происхождения Вселенной
Теория Большого взрыва не единственная в своем роде. Существуют альтернативные космологические модели. Например, модель Холодного Большого взрыва предполагает, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Следовательно, микроволновое излучение уже нельзя объяснить взрывом и нужно искать другие варианты. Стационарная космологическая модель подразумевает непрерывное рождение вещества. Согласно этой теории, Вселенная всегда будет неизменной, однако это опровергают уже имеющиеся наблюдения. Некоторые ученые переосмысливают теорию гравитации Эйнштейна, выдвигая свои гипотезы о гравитационном воздействии на материю (среди них модель Бранса – Дикке и более радикальная модель Ф. Хойла).
Вопросы зарождения Вселенной и космического устройства бросают серьезные вызовы современной науке. Однако, несмотря на пугающие масштабы изучаемого, ученые смело берутся за разбор вопросов мироустройства. Интересные истории о космосе и космологии читайте на нашем портале в этом месяце.
Источники
krugosvet.ru, postnauka.ru, wikipedia.org
Фото на странице и на главной странице сайта: wirestock / Фотобанк Freepik
