Физическая космология

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Космология
Ilc 9yr moll4096.png
Изучаемые объекты и процессы
Наблюдаемые процессы
Теоретические изыскания

Физи́ческая космоло́гия — раздел астрономии, который исследует физическое происхождение Вселенной и её природу в наибольших масштабах.

Ранний этап развития[править | править вики-текст]

На раннем этапе своего развития физическая космология была тем, что сейчас известно как исследование небосклона и небесная механика. Греческие философы Аристарх Самосский, Аристотель и Птолемей предложили разные космологические теории. В частности геоцентрическая система Птолемея, которая изначально была построена на космологические модели Аристотеля, а впоследствии приобрела самостоятельное значение, долгое время использовалась для расчёта и объяснения видимых движений светил на небосклоне. Впоследствии, Николай Коперник предложил простейшую для расчётов и мысленного воспроизведения гелиоцентрическую модель солнечной системы, которая в то время отождествлялась с моделью Вселенной. Иоганн Кеплер, опираясь на наблюдения Тихо Браге, осуществил качественное математическое описание этой модели. Наряду с этим Галилео Галилей улучшил её правильность на основе собственных наблюдений и научных методов исследований, которые сам тогда впервые сформулировал. Работы Галилея начали противостояние стремительно растущей физической космологии, с религиозной космологией, расширенной за счёт космологических взглядов Аристотеля о движении светил на небосклоне. Следствием такого противостояния стал пересмотр сторонниками религиозной космологии некоторых её категорических утверждений и выводов, сделанных на основе учений Аристотеля, в то время как физическая космология нашла своё продолжение в трудах Исаака Ньютона, который завершил создание этой модели формулировкой законов механики и выводом закона тяготения. После открытия звёзд и отождествления их с Солнцем, а также после открытия нашей Галактики и большого количества других галактик в самых отдалённых участках пространства, доступных наблюдению, модель Солнечной системы потеряла значение модели Вселенной. Создание новой модели Вселенной было начато из гипотезы о распространённости законов механики и всех других законов природы, открытых в Солнечной системе, на все участки пространства и тела в нём. Базой для такой гипотезы послужили выводы теории Ньютона о распространённости законов механики на все тела Солнечной системы. Распространённость законов механики и некоторые другие законы природы (в частности законов квантовой механики, которую можно считать основой химии, законов термодинамики, электромагнетизма и т. п.) на удалённые объекты космоса с развитием наблюдательную астрономии неоднократно проверялась и подтверждалась в явной и неявной формах в работах многочисленных астрономов.

Современные представления[править | править вики-текст]

Ощутимый толчок в направлении развития физическая космология испытала после создания специальной и общей теорий относительности Альбертом Эйнштейном. В специальной теории относительности нашли своё математическое отражение революционные на то время изменения во взглядах на пространство и время, которые естественно возникли во время попыток объяснить независимость скорости света от движения наблюдателя относительно источника, установленную в экспериментах Хука и Физо и, более точно, в эксперименте Майкельсона. Согласно этим взглядам, пространство и время не являются абсолютными и независимыми друг от друга, а зависят от движения наблюдателей.

Следующим важным этапом для развития физической космологии стала гипотеза Эйнштейна о связи геометрических характеристик пространства-времени и энергетических характеристик материи — энергии и импульса. Эта гипотеза явно или неявно лежит в основе всех созданных на данный момент теорий гравитационного поля, среди которых пальму первенства и ведущее место по применению занимает общая теория относительности Эйнштейна, построенная на основе Римановой геометрии четырёхмерного пространства-времени (4-пространство сигнатуры Минковского о выпуклом теле). Советский ученый Александр Фридман нашёл развязки уравнений общей теории относительности Эйнштейна для однородного и изотропного распределения вещества во Вселенной, что соответствует реальному распределения вещества в самых доступных для наблюдения масштабах, и показал, что Вселенная не является стационарной — средняя плотность меняется со временем.

Эдвин Хаббл подтвердил такую нестационарность, установив связь между смещением спектров далёких галактик как следствие эффекта Доплера с расстояния до них (смотри статью Расширение Вселенной). Впоследствии рядом учёных, среди которых и физиком из США — выходцем из СССР Георгием Гамовым, — был предложен сценарий горячей Вселенной — феноменологический описание его развития, который был впоследствии подтверждён открытием остаточного равновесного излучения, что осталось от его горячей эпохи. Наличие такого излучения было ранее предусмотрено Гамовым.

После создания инфляционной модели Аланом Гутом стало возможным объяснить механизм Большого взрыва и некоторые характеристики Вселенной, среди которых — зависимость усреднённой по всему пространству амплитуды неоднородностей плотности от их масштаба.

Кульминацией развития физической космологии стало открытие неоднородного распределения температуры остаточного излучения по угловым координатам в спутниковом эксперименте COBE и, более точно, в эксперименте WMAP. Наличие таких неоднородностей предусматривалась созданной теорией. На сегодняшний момент космология достаточно успешно объясняет развитие Вселенной с момента Большого взрыва до настоящего времени, количественно описывая все его характеристики, и является наукой, которая стремительно развивается.

Ссылки[править | править вики-текст]