Что изучает космология кратко
Космология
Космология — это наука, которая отвечает на вопросы, как образовалась Вселенная, из чего она состоит, каким образом развивается и каково её будущее. Космология также является подразделом двух других наук — астрономии и астрофизики.
Космолог — это учёный, который изучает космологию; занимается такими понятиями как:
Возникновение космологии как науки связывают с появлением теории относительности, которая была разработана Альбертом Эйнштейном (опубликована в 1915 году). Позже в 1922 году идеи Эйнштейна о неизменяющейся Вселенной были опровергнуты физиком и математиком Александром Фридманом.
Говоря о появлении космологии как науки, невозможно не упомянуть открытие американского учёного-астронома Веста Мелвина Слайфера в 1912–1914 годах. Он обнаружил красное смещение.
Что изучает космология?
Космологи занимаются вопросами происхождения и эволюции Вселенной. Это включает прошлое — момент Большого взрыва, настоящее, и прогноз будущего.
Космология изучает научным путём крупномасштабные свойства Вселенной как одно целое. Используя научный метод, космология стремится понять происхождение, развитие и будущее всей Вселенной.
Космология изучает теории и научным путём пытается доказать их правильность. Основной теорией возникновения Вселенной является теория Большого взрыва.
Космология и космогония (отличия)
Космология изучает крупномасштабные свойства Вселенной, включая теории о её происхождении, эволюции и прогнозе будущего. Космология изучает структуру и изменения в нынешней Вселенной. В то время как космогония занимается вопросами происхождения Вселенной. Она исследует научным путём происхождение космоса и самой реальности.
Теория Большого взрыва
После взрыва Вселенная охлаждалась. Потом образовались атомы. Материи стали притягиваться друг к другу, образуя газовые скопления, из которых затем появились звёзды, свехновые звёзды, чёрные дыры и галактики.
Красное смещение
Весто Слайфер открыл, что на фотографических изображениях спектра (спектрограммах) галактик, особенно тех, которые расположены далеко от нашей галактики, много красного цвета. Такое смещение в сторону красного цвета было названо красным смещением.
Красное смещение означает, что галактики двигаются: вращаются и удаляются. Это, в свою очередь, говорит о том, что Вселенная расширяется.
Закон Хаббла (или закон красного смещения)
В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что есть связь между скоростью, с которой далёкие галактики движутся в противоположную от нашей галактики сторону, и расстоянием до этих галактик.
Он вывел формулу, которая позволяет рассчитать скорость галактики и расстояние до Земли. Это открытие было названо законом Хаббла (также закон красного смещения).
Несмотря на то, что этот закон действует только для далёких галактик, он позволил подтвердить, что Вселенная расширяется. С помощью закона Хаббла можно вычислить момент, когда Вселенная начала расширяться. Это позволило учёным выяснить возраст Вселенной — 13,8 миллиардов лет.
Учёные пришли к выводу, что до образования Вселенной была сингулярность.
Сингулярность
Согласно общей теории относительности в центре чёрной дыры находится сингулярность. Это область, где нет времени и не применимы законы физики. Область, где всё сжимается до крошечных размеров под высоким давлением.
В космологии есть три понятия: космологическая сингулярность, гравитационная сингулярность и голая сингулярность.
Космологическая сингулярность
Гравитационная сингулярность
Это место в пространственно-временном континууме, через которое нельзя провести кривую (геодезическую линию), и где не работают законы теории относительности.
В физике, в частности по общей теории относительности, тела, обладающие малым зарядом и массой, движутся по геодезической линии пространственно-временного континуума.
Но в гравитационной сингулярности законы физики не применяются. Поэтому и линии провести невозможно.
Голая сингулярность
Это некая область в пространственно-временном континууме, в которой не действует один из общих принципов в физике — принцип причинности.
Этот принцип формулирует, как происшествия или действия воздействуют друг на друга. То есть согласно ему будущие действия не могут изменять происшествия в прошлом.
Иными словами, наше будущее не воздействует на наше прошлое и не обуславливает его.
По версиям физиков, попав в голую сингулярность, можно увидеть и прошлое, и будущее. Но чтобы туда попасть, нужно попасть в чёрную дыру, что делает опыты по изучению такой сингулярности довольно затруднительными, так как из чёрной дыры нельзя выбраться.
Теория относительности
Альберт Эйнштейн формулирует в 1905 году специальную теорию относительности и общую теорию относительности в 1915–1916 годах.
Специальная теория относительности
Если два объекта движутся прямолинейно и с постоянной скоростью, то ни один из них не может быть системой отсчёта. Важно определять их движение только относительно друг друга.
Общая теория относительности
Эйнштейн пытался объяснить, откуда берётся гравитация. Согласно его теории крупные тела искажают пространственно-временной континуум. Это приводит к возникновению гравитации.
Уравнение Александра Фридмана
Александр Фридман вывел уравнение, которое доказывает, что Вселенная изменяется. Математическим путём учёный доказал, что Вселенная увеличивается и что она точно с чего-то началась.
Позднее его теории были подтверждены с помощью закона Хаббла.
Космология в философии
В 1960 году космология широко рассматривалась как раздел философии, но стала играть намного большую роль как подраздел астрофизики и астрономии.
Философия космологии стремится найти способы познания Вселенной, учитывая, что на данный момент человечеству известна только одна Вселенная, и мы не можем проводить над ней классические эксперименты (сравнение с другими данными — другими Вселенными). Также философия космологии ищет последствия и значения, если таковые имеются.
Что такое космология?
Космология изучает происхождение и процесс развития и эволюции Вселенной. То есть, эта наука (астрофизика, астрономия, геология, физика и климатология) прослеживает развитие пространства от Большого Взрыва и даже пытается смоделировать будущее.
Космологи рассматривают довольно экзотические и непривычные концепции, а объекты космологии включают темную материю и темную энергию, теорию струн, количество вселенных. Если другие аспекты астрономии изучают определенные явления, то современная космология Вселенной старается охватить масштабную картинку.
Учебный материал по космологии
История космологии и астрономии
Основы и теории космологии не появились на пустом месте. Разумеется, с развитием человечества наше понимание пространства также эволюционировало. Сначала Земля воспринималась как центр и начало всего, а прочие объекты либо просто закреплены на своих неподвижных позициях, либо же вращаются вокруг. Все изменилось с приходом Николая Коперника в 16 веке, выдвинувшем гелиоцентрическую систему, объясняющую, что мы лишь часть масштабной Вселенной и расположены далеко не в центре. Но это не единственный ученый, которого выдвинула космология.
В 17 веке Исаак Ньютон интересовался силами, возникающими между планетами, и пришел к гравитации. В 20-м веке всех шокировал Альберт Эйнштейн своей общей теорией относительности. В 1900-х гг. люди задумались о размере Вселенной. То есть, все ограничивается Млечным Путем или есть что-то дальше?
Карта обозримой Вселенной
Новый шаг сделал Эдвин Хаббл. Он исследовал далекое туманное пятно и понял, что оно расположено за пределами нашей галактики! Также он выяснил, что эти объекты выступают галактиками, которые отдаляются от нас, а значит, пространство не статично, оно расширяется (расширяющаяся Вселенная).
Современный популярный физик-теоретик Стивен Хокинг полагает, что у Вселенной есть конец, а значит и размер. Однако, нам никогда не увидеть ее границу. Это похоже на ситуацию с нашей планетой: можно обойти ее по кругу, но вы вернетесь на старт. Также Хокинг считает, что расширение продолжится вечно, пока не закончится.
Что существовало до Большого Взрыва?
Теория космологии утверждает, что пространство началось с Большого Взрыва. Есть мнение, что существуют и другие вселенные, однако нет практического способа их «увидеть», поэтому пока можно лишь сказать, что до Большого Взрыва не было ничего.
Где произошло это событие?
Если другие галактики отходят от нас, то не стоим ли мы в центре Вселенной?
Нет. Если вы окажитесь в другой галактике, то заметите, что остальные отдаляются уже от этой. Наша Вселенная как воздушный шар. Надуйте и взорвите его. Ни одна из точек не будет располагаться в центре, они все просто расширяются.
Некоторые полагают, что концентрические кольца реликтового излучения намекают на наличие вселенной до Большого Взрыва
Сколько Вселенной лет?
Возраст Вселенной составляет 13.7 миллиардов лет (+/- 100 миллионов).
У Вселенной есть конец?
Все зависит от ее плотности. Ученым удалось вычислить критическое число. Если истинная плотность превышает его, то расширение приостановится и пространство начнет сжиматься, пока не вернется в изначальную точку. Если же показатель меньше, то мы получим вечное расширение.
Что было первым: галактика или звезды?
Классическая космология гласит, что после Большого Взрыва пространство представляло собою скопление водорода и немного гелия. Гравитация заставила водород сжиматься и создавать структуры. Но ученые точно не знают механизма формирования. Возможно, сначала создались звезды, которые объединились в галактики, или же это были массивные галактические глыбы, внутри которых начали появляться звезды. Основы современной космологии и развитие ее теорий и принципов раскрываются в видео, смотреть которые можно бесплатно онлайн на нашем сайте.
Понятие космологии с точки зрения науки
Исторические аспекты становления данной науки
Ещё в начале XX века, перед тем как заявить о своем открытии, учёный должен был не только теоретически, но и практически доказать уникальность результатов. Но вернемся в древние века, когда люди только начинали делать свои первые шаги в астрономии. Ещё в Древнем Египте, Китае, Индии, Греции ученые занимались наблюдением за небесными явлениями. Благодаря этому был создан лунный календарь, по которому очень длительное время ориентировались жители Земли.
Античная космология была основана на различных мифах и легендах. Аристотель был основателем теории гомоцентрических сфер: наша планета лежит на поверхности полой сферы, центр которой является центром Земли. Именно поэтому тогда была очень популярна модель божественного происхождения Земли. В дальнейшем происходило изменение учений с каждым последующим веком. Древние физики утверждали, что вокруг Земли происходит движение планет, а сама она находится непосредственно в центре самой Вселенной. Однако все это было лишь теорией, практических подтверждений на тот момент не было.
Современное развитие космологии как науки
Лишь в XV веке Николаю Копернику удалось обобщить все существовавшие на тот момент знания. Согласно его теории, в центре нашей Вселенной находится Солнце, вокруг которого постоянно движутся планеты, в том числе и Земля с Луной. В основу своей теории Коперник положил утверждения таких учёных, как Аристарх Самосский, Леонардо да Винчи, Гераклит и Кузо.
Ещё один большой шаг в развитии этой науки был сделан Кеплером. Он создал свои известные три теории, которые в дальнейшем использовал Исаак Ньютон для своих законов динамики. Именно благодаря этим законам люди увидели абсолютно другой подход к движению планет во Вселенной. Таким образом, можно сделать вывод, что космология и физика были очень тесно связаны между собой. Космология кратко дает общие понятия процессов, происходящих в нашей Вселенной.
Основные концептуальные взгляды космологии
Ещё древние люди искали ответ на вопрос: «Какое место наш окружающий мир занимает в самой Вселенной?» В Библии было написано, что наша Вселенная в самом начале была абсолютно невидимой и непримечательной. Эйнштейн утверждал, что Вселенная не движется и находится в стационарном положении. Однако позднее ученый Фридман доказал, что за счёт определенного движения происходит ее постепенное сужение и расширение. С помощью результатов исследований, полученных астрономом Хабблом, были с точностью измерены расстояния до галактик. Именно благодаря его открытиям и возникла так называемая теория Большого взрыва.
Основы теории Большого взрыва
Согласно ее положениям, начинать отсчет возраста Вселенной нужно с момента ядерного взрыва. Таким образом, ученые получили результат в 13 млрд лет. На сегодняшний день положения астрофизики для космологии имеют только теоретический аспект. В первые секунды после Большого взрыва произошло развитие частиц под названием «кванты», затем спустя время стали появляться кварки, которые имели разные виды взаимодействий. Лишь спустя 0,01 с после взрыва начали свое развитие различные звёзды, галактики и собственно сама Солнечная система.
Что изучает космология?
Понятие Вселенной в космологии
Исходя из утверждений ученых, Вселенная состоит из определенных структур: галактик, звёзд и планет. Каждая из них прошла определенную эволюцию:
Самой изученной частью на данный момент является метагалактика. Это объединение большого числа галактик, которые находятся в поле зрения астронавтов. Их распределение неравномерно, что экспериментально доказано в астрономии. На сегодняшний день учёные занимаются изучением большого пространства, в котором абсолютно отсутствуют галактики. По возрасту метагалактика приближена к Вселенной.
Таким образом, можно сделать вывод, что космология Вселенной на сегодняшний день обладает очень многими знаниями, однако в тоже время таит в себе много загадок. разгадать которые под стать только самым гениальным учёным.
Проблемы теории Большого взрыва
Например, во времена учений Эйнштейна и Фридмана плотность Вселенной могла иметь любое значение. Сегодня научно доказано, что эта величина составляет критическое значение ркр. Таких примеров можно привести огромное количество.
Существует ряд основных проблем космологии, которые остаются актуальными на сегодняшний день:
Различие между астрономией и космологией
Однако даже на сегодняшний день многие ученые считают, что космология является частью астрономии и не относят её к отдельным направлениям.
В современной науке сделано много открытий, которые позволяют расширить знания о нашей Вселенной. Некоторые из теорий подтверждены учеными мира экспериментально. Однако остается ещё много задач, которые требует тщательного изучения и материальной базы. Даже сегодня не существует единого мнения, что собой представляет Вселенная, из какого вещества она состоит. Это и является одним из заданий учёных в области не только космологии, но и сопутствующих ей наук. Знания об окружающем нас мире растут в геометрической прогрессии, но наряду с ними появляется все больше дополнительных вопросов. Для космологии это можно считать нормальным путём развития и становления как отдельной науки.
Космология
Космологией называется область астрономии, которая изучает происхождение и развитие Вселенной в целом. С точки зрения космологии Вселенная представляет собой систему с особыми свойствами.
История становления космологии
О происхождении и эволюции Вселенной люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Первоначально люди объясняли процесс сотворения наблюдаемого мира действием сверхъестественных сил — богов. Эпоха Возрождения и буржуазные революции привели к значительному уменьшению влияния религии на мировоззренческие взгляды людей. Последние пять веков ученые стараются объяснить процесс эволюции Вселенной с помощью естественных законов физики, химии и т. д.
Одна из первых версий строения мира — плоская земля, которая покоится на трех китах и черепахе
Изначально в древние времена люди знали очень ограниченный список астрономических объектов: Земля, Луна, 5 планет Солнечной Системы и т.н. “неподвижные” звезды. Наблюдаемое движение Солнца, Луны и планет по земному небу привело к ошибочному мнению, что Земля является центром Солнечной Системы и всей Вселенной. Подобная мировоззренческая система получила название геоцентрическая система мира. Лишь более тщательные наблюдения за движением небесных тел в дальнейшем позволили выяснить, что центром Солнечной Системы является Солнце, а вокруг Земли вращается только Луна. Подобная система называется гелиоцентрической. Насчет же звезд первоначально существовало несколько мнений: от отверстий в небесной сфере до очень далеких солнц (последний вариант в гелиоцентрической системе объяснялся отсутствием параллактического смещения по причине орбитального движения Земли вокруг Солнца).
Развитие космологии в последние десятилетия
Основные современные направления развития космологии связаны с несколькими пунктами:
Структура Вселенной в общем
— наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне (спектр излучения наиболее далеких объектов в видимой части нашей Вселенной смещен к ИК-диапазону). Подобные наблюдения позволяют изучать самые первые звезды и галактики Вселенной. С другой стороны набирает популярность использование “природных” телескопов. Речь идет о наблюдениях далеких гравитационных линз. Искривление гравитационных полей массивных скоплений галактик позволяет увеличивать фоновые изображения очень далеких и слабых объектов – первых звезд и галактик. Подобные наблюдения уже позволили наблюдать очень далекие сверхновые и даже обычные звезды.
— регистрация реликтового (реликт.) излучения в субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра. Подобное излучение является остаточным следом момента, когда первичное вещество Вселенной стало прозрачным для электромагнитного излучения. Наблюдение реликтового излучения позволяет изучить Вселенную с возрастом примерно в 370 тысяч лет после момента Большого взрыва.
— в конце 20 века было открыто важное космологическое свойство Вселенной: ускоренное расширение. Подобное явление было обнаружено через изучение сверхновых первого типа, которые являются одними из самых точных индикаторов расстояний до далеких галактик. Открытие ускоренного расширения Вселенной стало доказательством того, что наблюдаемая Вселенная примерно на 75% состоит из темной энергии.
Эволюция Вселенной после рождения
Неоднородности в реликтовом излучении электромагнитных волн по данным разных обзоров
— рост вычислительных мощностей суперкомпьютеров позволяет улучшать возможности моделирования рождения и эволюции Вселенной. Сравнение наблюдаемой и смоделированной картины развития Вселенной помогает в поисках проблемных мест в теоретической базе космологии.
Карты неба относительно галактической плоскости на различных длинах волн электромагнитного спектра (ЭМС)
В диапазоне ЭМС с длинами волн от половины одного миллиметра наиболее заметными объектами является свечение от спиральных рукавов нашей галактики и зодиакального света (в последнем случае, это линия, пересекающая все небо, которая лучше всего заметна на длине волны в 2.5 сантиметров). На длинах волн ЭМС в несколько миллиметров хорошо заметно фоновое излучение, которое светит на всём небе. Это и есть реликтовое излучение.
Основные тезисы космологии
Основное положение космологии — это утверждение, что наша Вселенная представляет собой расширяющийся мир диаметром в несколько десятков миллиардов световых лет, состоящий из нескольких триллионов галактик разного размера. Скорость расширения Вселенной можно описать с помощью закона Хаббла:
υ=Hr, где Н – постоянная Хаббла, υ — скорость галактики, а r – это расстояние до галактики.
Интерполяция расширения Вселенной приводит к пониманию того, что около 13.7 миллиардов лет назад Вселенная являлась точечным объектом — сгустком первичной материи и энергии. Рождение Вселенной объясняется концепцией Большого взрыва. На основе теоретических расчетов до появления первых звезд во Вселенной химический состав Вселенной на ¾ представлял собой водород, а на ¼ гелий.
Основы теории Большого взрыва
Большим взрывом называется космологическая модель, описывающая начало эволюции Вселенной, перед которым Вселенная находилась в состоянии сингулярности. Остаточным излучением Большого взрыва является реликтовое излучение (в электромагнитном или гравитационно-волновом диапазоне, а также реликтовое нейтринное излучение).
Что изучает космология
Основными объектами изучения космологии являются первые звезды и галактики, реликтовое излучение (электромагнитное, гравитационно-волновое и нейтринное) и вспышки далеких сверхновых.
Проблемные места теории Большого взрыва
Основными проблемами теории Большого взрыва являются следующие вопросы:
— Почему Вселенная начала расширяться?
— Из чего состояла Вселенная до начала расширения?
Дополнительными проблемами в космологии является прогнозирование будущего Вселенной. Существует несколько вариантов будущего Вселенной: от бесконечного расширения (теория «большого разрыва») до смены расширения на сжатие (с последующим новым Большим взрывом — теория циклической эволюции Вселенной).
Схематичная иллюстрация возможного будущего Вселенной — теории «Большого разрыва»
В настоящее время появилась ещё одна проблема: значительное несоответствие оценок постоянной Хаббла, полученной двумя разными способами (через анализ данных обзора реликтового излучения космическим аппаратом «Планк» и измерение расстояния до внегалактических цефеид).
Схематичная иллюстрация возможной циклической эволюции Вселенной
Отличия астрономии от космологии
Хотя астрономы и космологи изучают одну и ту же Вселенную, тем не менее, между их областями изучения существует главное отличие. Это отличие заключается в том, что астрономия в основном изучает конкретные небесные тела (астероиды, планеты, звезды и галактики), в то время как космология изучает Вселенную как одну неделимую систему.
Космология
Космоло́гия (космос + логос ) — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.
Содержание
История космологии
Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.
Китай
Европейская античность
Большинство древнегреческих учёных поддерживали геоцентрическую систему мира, согласно которой в центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля, вокруг которой обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, по-видимому, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.
Средневековье
В Средние века в астрономии и философии как христианских, так и мусульманских стран доминировала космология Аристотеля, дополненная птолемеевой теорией движения планет, вместе с представлением о материальных небесных сферах. Некоторые философы XIII—XIV вв. считали, что бесконечно всемогущий Бог мог создать, помимо нашего, и другие миры [3] [4] ; тем не менее, эта возможность считалась сугубо гипотетической: хотя Бог и мог создать другие миры, он не сделал этого. Некоторые философы (например, Томас Брадвардин и Николай Орем ) считали, что за пределами нашего мира находится бесконечное пространство, служащее обителью Бога (модификация космологии герметистов, также полагавших внемировое пространство относящимся к духовной сфере [5] ).
Эпоха Возрождения
Вселенная Джордано Бруно (иллюстрация из книги Кеплера Краткое изложение коперниковой астрономии, 1618 г.). Символом M отмечен наш мир.
Возникновение современной космологии
Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и физики элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности». В ней он ввёл 3 предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввёл в уравнения гравитационного поля дополнительный « космологический член ». Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну.
Возраст Вселенной
Современная оценка возраста Вселенной построена на основе одной из распространённых моделей Вселенной, так называемой стандартной космологической ΛCDM-модели.
Основные этапы развития Вселенной
Большое значение для определения возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация [16] :
Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям, это произошло через 380 тыс. лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.
Карта микроволнового излучения, построенная WMAP
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.
Данные WMAP показали, что распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере соответствует полностью случайным флуктуациям с нормальным распределением. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с моделью Вселенной, состоящей:
Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной.
Среди других параметров, из данных WMAP определены (исходя из ΛCDM-модели, то есть фридмановской космологической модели с Λ-членом и холодной тёмной материей англ. Cold Dark Matter ) [17] :