Физическая космология - подразделение астрономии, исследующий физическое происхождении Вселенной и ее природу в самых крупных масштабах.

Ранняя история

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 служила для расчета и объяснения видимых движений светил на небосклоне. Впоследствии, Николай Коперник предложил значительно более простую для расчетов и мнимого воспроизведения гелиоцентрическую модель солнечной системы, которая в то время отождествлялась с моделью Вселенной.

Иоганн Кеплер, опираясь на наблюдения Тихо Браге, осуществил качественный математическое описание этой модели. Наряду с этим Галилей доказал ее правильность на основе собственных наблюдений и научных методов исследований, которые сам тогда впервые сформулировал. Работы Галилея начали противостояние стремительно растущей физической космологии, которая в то время была зародышем науки с религиозной космологией, расширенной за счет космологических взглядов Аристотеля о движении светил на небосклоне. Следствием такого противостояния стал просмотр сторонниками религиозной космологии некоторых ее категорических утверждений и выводов, сделанных на основе учений Аристотеля, в то время как физическая космология нашла свое продолжение в трудах Исаака Ньютона, довершил создание этой модели формулировкой законов механики и выводом закона притяжения. После открытия звезд и отождествление их с Солнцем, а также после открытия нашей Галактики и большого количества других галактик в самых участках пространства, доступных наблюдениям, модель Солнечной системы утратила значение модели Вселенной. Создание новой модели Вселенной было начато из гипотезы о распространенности законов механики и всех других законов природы, открытых в Солнечной системе, на все участки пространства и тела в нем. Базой такой гипотезе служили выводы теории Ньютона о распространенности законов механики на все тела Солнечной системы. Распространенность законов механики и некоторые другие законы природы (в частности законов квантовой механики, которую можно считать основой химии, законов термодинамики, электромагнетизма и т.п.) на удаленные объекты космоса с развитием наблюдательных астрономии неоднократно проверялась и подтверждалась в явной и неявной формах в работах многочисленных астрономов. Ощутимого толчка в направлении развития физическая космология понесла после создания специальной и общей теорий относительности Альбертом Эйнштейном. В специальной теории относительности нашли свое математическое отражение революционные в то время изменения во взглядах на пространство и время, которые естественно возникли при попытках 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, их измеряют. 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 четырехмерного пространства-времени (4-пространство сигнатуры Минковского.Фридман нашел решения уравнения общей теории относительности Эйнштейна для однородного и изотропного распределения вещества во Вселенной, соответствует реальному распределению вещества в крупнейших доступных для наблюдения масштабах, и показал, что Вселенная не является стационарным - средняя плотность меняется со временем. Вилы подтвердил такую нестационарность, установив связь между смещением спектров далеких галактик как следствие эффекта Доплера с расстояния до них. Впоследствии рядом ученых, среди которых и физиком из США - выходцем из Украины Георгием Гамовым, был предложен сценарий горячей Вселенной   - Феноменологический описание его развития, который был впоследствии подтвержден открытием остаточного равновесного излучения, что осталось от его горячей эпохи.Наличие такого излучения была ранее предусмотрена Георгием Гамовым.

После создания инфляционной модели Аланом Гутом стало возможным объяснить механизм Большого Взрыва и некоторые характеристики Вселенной, среди которых - зависимость усредненной по всем пространстве амплитуды неоднородностей плотности от их масштаба.Кульминацией развития физической космологии стало открытие неоднородного распределения температуры остаточного излучения по угловых координатах 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, стремительно развивается.

История современной физической космологии

Современная физическая космология возникла в первой половине ХХ в. на основе релятивистской теории тяготения Эйнштейна. Простейшие закономерности расширения Вселенной были открыты в результате наблюдений Эдвина Хабло. Они описываются решением уравнений Эйнштейна, который был найден Фридманом, Леметром, Робертсоном и Уолкером. Возникновения Вселенной впервые было описано в теории Большого Взрыва в 1947 г. американским ученым Георгием Гамовым (рожденным в городе Одесса. Новые идеи эволюции Вселенной были развиты в теории инфляции, разработанной в 1985 г. российским физиком Андреем Линде.

Базовые положения современной физической космологии

Основные направления исследований

Ранний Вселенная (теория инфляции)

Современные физические модели происхождения и эволюции наблюдаемой Вселенной и его структуры можно заключить в временную шкалу следующим образом:

Вечное прошлое (То, с чего сформировалось ВСЕ в нашей Вселенной, находилось в метастабильного состояния скалярного поля (или нескольких различных полей) с планковского плотностью энергии.Пространство и время - квантовые. Эту эпоху называют пространственно-временной пеной.Случайные квантовые отклонениям приводят к непрерывной изменения значений фундаментальных постоянных физических взаимодействий, пространственно-временных измерений. Материи в форме привычных частиц не существует.

Большой взрыв (0-10 -45 c) - В одной квантовой области пространственно-временной пены в результате квантовых флюктуаций сформировался 3 +1 измеримый пространство-время с параметрами фундаментальных взаимодействий, которые после распада первоначального состояния и ряда фазовых переходов привели к 4-х физических взаимодействий нашей Вселенной и набора элементарных частиц, которые его заполнили.Такая локальная область начала спонтанно расширяться, охлаждаться, а поле скатываться в состояние с минимальным значением энергии (вакуумный состояние. Начало инфляции.

Инфляция (10 -45 - 10 -34 c) - Кратковременная стадия очень быстрого (экспоненциального) увеличение масштабов - (a (t) ~ e Ht.За краткий миг - например, с 10 -35 c до 10 -25 с - масштабы выросли в ~ e 10000000000 раз.Это означает, что отклонениям метрики пространства-времени квантовых масштабов растягивались до таких, что следующее расширение протяжении нескольких миллиардов лет увеличило их до размеров современных галактик, скоплений, надскупчень, пустот в их распределении и так далее. Инфляция заканчивается синтезом частиц и квантов полей, соответствующих температуре на момент конца инфляции (t 2) T '14 октября (10 -10 c/t2) 1 / 2 К. В эту эпоху могли згенеруватися реликтовые гравитационные волны, которые дальше свободно распространяются в пространстве (первый реликтовый фон, который может быть зарегистрирован.

Бариосинтез (~ 10 -12 -10 -8 с) - "Суп" с кварков и глюонов "остывает", оставив в осадке тяжелые частицы - адроны и их античастицы.

Адронный эра (~ 10 -8 -10 -6 с) - короткоживущие адроны распадаются на более легкие до протонов, нейтронов и их античастиц.Частицы и античастицы находятся в термодинамической равновесии с квантами электромагнитного излучения ГэВ-ных энергий. Эпоха заканчивается аннигиляцией вещества и антивещества. Остался избыток протонов, нейтронов и электронов над их античастицы (его происхождение пока неизвестно) и число квантов высоких энергий, которые распадались на пару виртуальных лептонов.

Лептонное эра (~ 10 -6 -1 с) - лептоны (электроны, мюоны, тау-частицы и соответствующие им нейтрино) находятся в термодинамической равновесии с излучением (рождение-аннигиляция электрон-позитронных пар.Заканчивается аннигиляцией пар частица-античастица, остается избыток электронов над позитроны, кванты электромагнитного излучения и нейтрино, которые через слабое взаимодействие с остальными частиц начали свободно распространяться в пространстве (второй реликтовый фон, который может быть зарегистрирован.

Эпоха нуклеосинтеза

Эпоха нуклеосинтеза (1 c - 100 с) - протоны и нейтроны сталкиваясь "слипаются", образуя ядра легких элементов: дейтерий, тритий, гелий-3, гелий-4, литий, бериллий и др.Основной из них - гелий, которого на конец эпохи образовалось ~ 10% от числа протонов. Следовательно, наблюдаемое повсеместно в космосе соотношение He / H ~ 0.1 является третьим реликтом ранних эпох, который надежно регистрируется. На конец эпохи сформировался первичный химический состав элементов: ядра легких элементов, свободные электроны и фотоны.

Комментарии:


Имя (обязательно)
E-mail (обязятельно)
Сайт

Комментарии(0) Подробнее