Барышева В.Ю.

ЛЕКЦИИ

План

1. Историческое изменение представлений о Солнечной системе.

2. Основные модели происхождения Солнечной системы.

3. Бесконечность и однородность Вселенной. Парадокс Ольберса.

4. Разбегание галактик. Красное смещение.

5. Основные модели последующей эволюции Вселенной.

1. Космология – одна из древнейших научных дисциплин. Еще древнеегипетские жрецы занимались систематическими наблюдениями за звездами и строили первые космологические модели. Первые космологические модели были геоцентрическими и восходили к мифу. Например, египтяне представляли Землю плоской, углубляющейся к центру, где в самом глубоком месте протекал Нил.

Греки представляли Землю шарообразной. Она также располагалась в центре Вселенной. Звезды располагались в одной плоскости, будучи прикрепленными к непрозрачной сфере. Согласно мифу, бог Гефест, прибивая одну из звезд к сфере, выронил молоток, который двое суток падал на Землю. Таковы греческие представления о размерах Вселенной.

Аристотель считал, что Вселенная приводится в движение специальным Первым Двигателем, расположенным за сферой неподвижных звезд. Наиболее логичную геоцентрическую модель Вселенной, которая тогда ассоциировалась исключительно с Солнечной системой, предложил Птолемей, математически объяснивший попятное движение планет наложением двух круговых движений: по эпициклу и деференту.

Первая научная революция в истории человечества носила космологический характер и была связана с переходом от геоцентрической к гелиоцентрической системе мироздания, осуществленным Коперником. Позднее Кеплер привел эту систему в соответствие с опытными данными (законы Кеплера), а Ньютон объяснил физическую структуру мироздания (закон всемирного тяготения).

Однако качественный переворот в представлениях о структуре мироздания был осуществлен Николаем Кузанским и, позднее, Джордано Бруно, которые высказали идею о бесконечности Вселенной в пространстве и во времени, которая позднее трансформировалась в представление о стационарной, однородной и бесконечной Вселенной.

2. Подобная стационарная модель Вселенной продержалась вплоть до 18 века, когда Жорж Луи Леклерк Бюффон (1707 – 1788) высказал представление о возникновении Солнечной системы в результате столкновения Солнца с кометой. В свете современных представлений подобная модель некорректна, поскольку масса кометы недостаточна для образования Солнечной системы.

Следующий шаг в данном направлении был сделан Иммануилом Кантом, который высказал гипотезу об образовании Солнечной системы из газопылевого облака путем его конденсации под действием гравитационных сил. Впоследствии французский математик Пьер Симон Лаплас в работе «Изложение системы мира» дал математическое обоснование подобной гипотезы, которая вошла в историю как космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

Основные недостатки подобной гипотезы обнаружились позднее. Во-первых, только 2% момента импульса Солнечной системы приходится на Солнце, а 98% - на планеты, что фальсифицировало математическую модель Лапласа. Во-вторых, модель Канта-Лапласа не могла объяснить наличие в Солнечной системе двух типов планет: земной группы и гигантов. В-третьих, эта модель не объясняла направление осей вращения планет. Например, ось вращения Земли отклонена от вертикального положения на 23^о27’; Уран практически лежит на орбите, а Венера вращается «вверх ногами».

Трудности модели Канта-Лапласа повлекли за собой поиски альтернативных вариантов, и в начале ХХ века Джинс предложил гипотезу, согласно которой Солнечная система образовалась в результате столкновения Солнца с другой звездой. Гипотеза Джинса объясняла наличие планет двух типов: земной группы и гигантов. Однако впоследствии выяснилось, что плотность звезд в галактике настолько мала, что их столкновение столь же маловероятно, как, например, столкновение двух машин в Москве, при условии, что только они и составляют автопарк этого города.

Советский полярный исследователь Отто Юльевич Шмидт предложил свою концепцию происхождения Солнечной системы, согласно которой Солнечная система образовалась в результате столкновения Солнца с газопылевым облаком. Казалось, что подобная гипотеза сочетает положительные стороны гипотез Канта-Лапласа и Джинса, но это было не так: Солнце просто бы втянуло в себя облако без образования планетарной системы.

Вернер фон Вайцзеккер предложил модель «сепаратора», представляющую собой диалектическое возвращение к гипотезе Канта-Лапласа. По его мнению, вращение газопылевого облака приводит к тому, что легкие элементы оказываются на периферии Солнечной системы и из них образуются планеты-гиганты, в то время как более тяжелые элементы располагаются ближе к Солнцу, что приводит к образованию планет земной группы.

3. Вплоть до начала ХХ века внимание научного сообщества концентрировалось, в основном, на проблеме происхождения Солнечной системы и других планетарных систем во Вселенной. Что же касается самой Вселенной, то она мыслилась бесконечной и стационарной. Постепенно, однако, становилась очевидной парадоксальность подобной модели.

Ольберс сформулировал известный парадокс, согласно которому в бесконечной Вселенной в каждую точку пространства должна приходить бесконечная световая энергия, что делает подобный объект физически невозможным. Другой парадокс – термодинамический – сводился к концепции тепловой смерти Вселенной и заключался в том, что за бесконечное время все звезды во Вселенной давно должны были погаснуть, но, поскольку этого не случилось, Вселенная существует конечное время.

4. Хотя концепция бесконечной стационарной Вселенной фактически была опровергнута многочисленными парадоксами, ученые не отказывались от нее по причине отсутствия достаточных эмпирических оснований для подобного решения. Однако в 1912 году американский астроном В. Слайфер обнаружил космологическое красное смещение. Согласно эффекту Доплера, излучение от приближающегося к наблюдателю объекта смещается с синюю область спектра, а излучение от удаляющегося от нас объекта – в красную область спектра. Соответственно, излучение от удаленных галактик оказалось смещенным в красную область спектра.

В 1929 году Э. Хаббл установил, что красное смещение галактик возрастает по мере их удаления от нашей галактики (закон Хаббла). Последнее однозначно свидетельствовало о том, что Вселенная могла возникнуть из некого сверхплотного объекта вследствие его взрыва. Данная модель вошла в историю как концепция большого взрыва. Независимым эмпирическим подтверждением данной концепции явилось открытие т.н. реликтового излучения, предсказанного Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году. Это произошло в 1965 году, когда Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон обнаружили некий фоновый шум, соответствующий температуре в 3,5^о К, наблюдающийся по любым направлениям и в любое время.

Существует, правда, иная интерпретация закона Хаббла, согласно которой оно не связано с эффектом Доплера, а с расширением пространства согласно ОТО (общей теории относительности). Однако подобное представление является менее убедительным, поскольку оно не объясняет реликтового излучения, которое можно истолковать как фон («эхо») большого взрыва.

5. Еще менее очевидными представляются сегодня возможные сценарии будущего Вселенной. Дело в том, что в распоряжении ученых нет достаточной информации о т.н. «темной материи», образуемой веществом черных дыр. В зависимости от массы подобной материи может реализоваться одна из следующих моделей.

- Бесконечно расширяющаяся Вселенная. Согласно данной модели, расширение Вселенной не закончится никогда, так что все галактики, кроме нашей, рано или поздно окажутся вне зоны, доступной наблюдению (Метагалактики).

- Квазистационарная Вселенная. Расширение Вселенной постепенно будет замедляться и, в конце концов, сменится ее переходом в стационарное состояние.

- Пульсирующая Вселенная. С течением времени расширение Вселенной замедлится, и она начнет пульсировать, периодически сжимаясь и разжимаясь.

- Коллапсирующая Вселенная. Масса «темной материи» во Вселенной настолько велика, что силы гравитационного взаимодействия постепенно погасят первичный импульс Большого взрыва, что приведет к ее необратимому сжатию в направлении первичного сверхплотного объекта, взрыв которого и привел 15-20 млрд. лет назад к рождению нашей Вселенной.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как представляли себе Вселенную древние люди?

2. Верна ли гипотеза Д. Бруно о бесконечности Вселенной и множественности обитаемых миров? Подтверждается ли она современной наукой?

3. Сформулируйте гипотезу Канта-Лапласа. Верна ли она?

4. Сформулируйте гипотезу Джинса. Верна ли она?

5. Сформулируйте гипотезу О.Ю. Шмидта. Верна ли она?

6. Сформулируйте гипотезу В. Фон Вайцзеккера.

7. В чем заключается парадокс Ольберса?

8. Какие модели происхождения Вселенной Вы знаете?

9. Что такое красное смещение?

10. Что ждет нашу Вселенную в будущем?

Литература.

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 1997, с.510-564.

2. Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания. - М., 1999, с.199-218.

3. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.27-31.

4. Кокин А.В. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.64-67, 97-125.

5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 1997, с.52-58.

6. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания. - С.-Пб, 2000, с.129-193.

7. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. - М., 1998, с.108-125.

8. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. - М., 1977.

по дисциплине «Компьютерная техника в приборостроении»

Выполнила студентка гр.9584, ФИБС

Преподаватель: Еид М.М.

Санкт-Петербург