Концепции современного естествознания Лекция 7 Космология наука

Концепции современного естествознания Лекция 7 Космология — наука о физике и геометрии Вселенной как целого

Теоретические основы Общая и специальная теория относительности Физика элементарных частиц «Стандартная модель» Квантовая теория поля Космология Теория струн

Экспериментальные основы Астрономия Космические исследования Ускорители элементарных частиц

Астрономия 20 века – наблюдения во всем волновом диапазоне Гамма-лучах (длины волн порядка атомных ядер) Рентгеновском (длины волн порядка атомов) Ультрафиолетовом (короче видимого) Инфракрасном (длиннее видимого) Радиоизлучении (мм – км)

Галактика «Колесо кареты» Видимый свет Рентгеновские лучи Ультрафиолет Инфракрасный

Космические исследования

Скопления галактик Галактики Звезды

Гелий ~ 25% Водород ~ 75% Состав видимого вещества Вселенной

Образование звезд из туманности Киля в нашей Галактике. Снимок в инфракрасных лучах.

Гравитационное сжатие Температура в центре звезды растет Начинается термоядерный синтез Выделяющаяся энергия препятствует дальнейшему сжатию Равновесие – основная фаза жизненного цикла звезды

Звезды – плазменные шары Термоядерный синтез в Солнце 4 H 1 He T ~ 15 млн. К

Солнце – звезда средней величины Водород – 74 % массы Гелий – 25 % массы На 1000 атомов Н – 100 атомов Не и 2 -3 тяжелых элементов Image: http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 03149

Солнце – звезда 2 или 3 поколений Звезды первого поколения (начало образования – 300 млн. лет после Большого взрыва) не содержали тяжелых элементов. Они были их фабриками. Взрыв → вещество, обогащенное С, О, Fe и др. элементами → материал для звезд следующих поколений

Термоядерный синтез в массивных и горячих звездах Красный гигант 4 Не 12 С Горение гелия и углерода + 4 Не → 12 С + 4 Не → 16 О Очень массивные звезды «железного пика» Fe, Co, Zn, Cu, Ni T ~ 150 млн. К Образование элементов T ~ 1– 10 млрд. К Элементы тяжелее железа образуются при взрывах сверхновых

Чем массивнее звезда, тем быстрее она сгорает. Звезда с массой = 15 М☼ – за 10 млн. лет Солнце ~ 10 млрд. лет

Образование нейтронных звезд Большие звезды накапливают внутри железное ядро Электроны начинают вступать в реакцию с протонами ядер, образуя нейтроны p+ + ē n + νe Внешняя оболочка падает на ядро образование планетарной туманности или взрыв сверхновой Предел Чандрасекара М > 1. 4 М☼ нейтронная звезда Предел Ландау— Оппенгеймера—Волкова М > 3 М☼ черная дыра

Нейтронная звезда, пульсар Очень быстро вращаются – период до нескольких секунд Плотность 1014 г/см 3 как у ядер атомов

Галактики

18 век, Иммануил Кант Галактики – звездные острова древнегреч. "галактикос" – "молочный"

Наша галактика Млечный Путь

Микрогалактики M 32 и M 110 движутся по орбитам вокруг ближайшей к нам галактики Андромеды.

2 Млрд. лет после Большого Взрыва 5 9 Увеличение размеров (объединение мелких галактик) Появление спиральной формы 14

Расстояние до галактики Андромеды 5 млрд. лет назад – 4. 2 млн. свет лет Сейчас – 2. 6 млн. свет лет ~ через 2 млрд. лет http: //arxiv. org/abs/0705. 1170 На малых расстояниях гравитация преобладает над расширением. Туманность Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью ~120 км/с http: //elementy. ru/news/430517

Эволюция Вселенной

1917 Релятивистская космология Эйнштейна 1922 Модели Фридмана 1929 40 -е Закон Хаббла 1965 Реликтовое излучение 80 -е Экспериментальное подвтерждение Горячая Вселенная Гамова Инфляционная модель Открытие темной материи и 70 -90 -е темной энергии 1998 Расширение – с ускорением!

Ньютон и Эйнштейн: стационарная Вселенная Ньютон: Вселенная должна быть бесконечна – иначе вся материя упадет в ее центр вследствие тяготения. В бесконечной же Вселенной нет центра.

Стационарная Вселенная Эйнштейн: Вселенная может быть безгранична, но конечна и стационарна. 2 -мерные безграничные, но конечные пространства Космологическая постоянная λ (лямбда) – «сила отталкивания» – чтобы предотвратить гравитационный коллапс. Это не сила взаимодействия, а свойство, встроенное в саму структуру пространства-времени

Расширяющаяся Вселенная Модели и факты

1922 Постулаты: 1. Космологический принцип 2. ОТО Следствие: Фридман Александрович 1888– 1925 Вселенная не может быть стационарной – она либо расширяется, либо сжимается (нестатические решения уравнений Эйнштейна)

Космологический принцип § Для всех наблюдателей Вселенная выглядит одинаково, независимо от их места наблюдения или Мы не находимся в особом месте Вселенной Эдвард Артур Милн, 1935 Этот принцип является главной аксиомой современной космологии

Эквивалентная формулировка космологического принципа Вселенная на больших масштабах является однородна и изотропна Вселенная как целое не должна вращаться (ось вращения была бы выделенным направлением) У неё не должно быть центра и пространственной границы (нарушалось бы условие однородности)

Принципы и факты: Крупномасштабная структура Вселенной 0. 5 млрд световых лет Вселенная однородна в больших масштабах, но неоднородна в малых

Крупномасштабная структура Вселенной – ячеистая. Скопления галактик образуют плоскости и линии Карта скоплений галактик в окрестности 300 млн. св. лет от нашей Наша галактика

Расширяется или сжимается? В моделях Фридмана все зависело от критической плотности ρкрит ≈ 10– 29 г/см 3 ≈ 5 атомов водорода на м³ Параметр плотности ρ = ρкрит

Фридман: эволюция Вселенной Масштабный фактор а Время, прошедшее с начала расширения Вселенной

Картинка для двухмерного мира, но наш – трехмерный!

Фридман: вывод о точке сингулярности – начале Вселенной В решениях уравнений Фридман обнаружил особую точку – момент времени, в который радиус мира равен нулю, а плотность содержащегося в нем вещества бесконечности. Точка сингулярности: перестают действовать известные нам законы физики

В какой Вселенной мы живем? ≈1 Тёмная материя (скрытая масса) Противоречия наблюдаемой массы галактик и скоплений с их гравитацией Плотность Вселенной, посчитанная только по видимому веществу ≈ 4% от ρкрит противоречит данным наблюдений о кривизне (~ 0)

Возможные формы существования тёмной материи 1. Массивные несветящиеся тела MACHOs – Massive Astrophysical Compact Halo Objects § Черные дыры § Коричневые и черные карлики – очень слабосветящиеся звёзды 2. Неизвестные элементарные частицы § массивные неизвестные частицы, не имеющие заряда, но участвующие в гравитационном взаимодействии. Возможно, будет открыто пятое фундаментальное взаимодействие WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles

Экспериментальное подтверждение модели Фридмана 1929 Разбегающиеся галактики H – постоянная Хаббла R – расстояние до галактики V – ее скорость Эдвин Хаббл

Скорость галактики определяется по красному смещению спектра: Расстояние до галактики – по светимости определенного класса звезд – «стандартных свечей»

Красное смещение – эффект Допплера Длина волны изменяется из-за того, что наблюдатель движется При взаимном удалении источника и наблюдателя возникает красное смещение, при сближении – фиолетовое смещение

Закон Хаббла В случае линейной зависимости удаление всех тел не означает существования центра расширения Все тела удаляются от всех! Но когда-то тела были ближе. Может даже все галактики, вся Вселенная расширяется из одной точки.

Красное смещение Причины для изменения длины волны § Эффект Допплера (взаимное движение источника и наблюдателя) § Расширение пространства (фотон «расширяется» , пока движется в пространстве)

Причина красного смещения – расширение пространства § Длина волны изменяется, так как в течение свободного движения фотона пространство успело расшириться и «растянуть» фотон Эффект Доплера тоже – но в меньшей степени

Сегодня H 0 = 72 км/(с·Мпк) = 15 км /(с·свет. год) Но ее величина менялась – на ранних этапах Н была огромной (инфляция) расстояние скорость убегания 10 мегапарсек 700 км/с 100 мегапарсек 7 000 км/с 1 Мпк = 3. 3. млн. свет. лет = 3· 1022 м

Закон Хаббла – подтверждение космологического принципа Скорости убегания для наблюдателя в галактике А Скорости убегания для наблюдателя в галактике В Нет центра расширения – все тела удаляются от всех

Суть постоянной Хаббла § Размерность постоянной Хаббла – км/(с·Мпк) или просто 1/с § Она показывает, насколько в относительных единицах расширяется пространство в единицу времени § Значит, величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно разна возрасту Вселенной

Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью v, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть t — время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями: v·t = r, или t = r/V Но из закона Хаббла следует, что r/v = 1/H Значит, величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно разна возрасту Вселенной – 14 млрд. лет

1998 Наблюдения за сверхновыми показали, что мы не просто расширяемся, а с ускорением Ускорение началось ~ 5 млрд. лет назад Ускорение рассматривается как довод в пользу существования темной энергии – «силы расталкивания» , антигравитации которую Эйнштейн ввел как космологическую постоянную.

Расширение то ускорялось, то замедлялось Наблюдаемая Вселенная – сфера радиусом 13. 7 млрд. свет. лет

Лекция 4. 04

Фридман и Хаббл – расширение Вселенной Гамов – гипотеза, что в первые секунды Вселенная была очень горячей

1940 -е Горячая Вселенная Сегодня Водород – 75% Гелий – 25% Георгий Гамов Если бы гелий возникал только в звездах, его бы было 1%

Горячая Вселенная Значит, он возник не в звездах, а в самом начале Следовательно, в точке сингулярности температура была огромной Настолько высокой, что не было атомов – только излучение и частицы

В какой-то момент Вселенная остыла настолько, что из плазмы образовались атомы Она стала прозрачной для излучения – и оно должно обнаруживаться сегодня Предсказанные свойства этого излучения: длинноволновое (радиоволны), однородное и с крайне низкой температурой ~ 5 К

1965 Реликтовое излучение Изотропно! Температура сейчас 2. 7 K, длина волны ~1 мм Арно Пензиас и Роберт Вильсон Возраст излучения ~ 300 000 лет от начала Точка, отделяющая наше знание от гипотез.

Почему реликтовое излучение такое длинноволновое и холодное? Момент испускания 3 000 К Расширение Вселенной! сейчас 2. 7 К

Более холодные области Более горячие будущие Галактики Локальная анизотропия очень мала – от 2. 7279 до 2. 7281 К

Проблема изотропности излучения Почему Вселенная такая однородная? в момент испускания Области Вселенной излучения были разделены расстояниями такими большими, что разные точки не могли быть связаны причинноследственными связями – невозможность выравнивания температуры. Модель инфляции

1981 Alan Guth Инфляция Андрей Линде Лекция А. Линде «Многоликая Вселенная» http: //elementy. ru/lib/430484

§ Модель инфляции: при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло скачкообразное расширение. § Это расширение было во много раз быстрее обычного хаббловского. Примерно за 10– 35 секунды Вселенная расширилась в 10100… (? ) раз — была меньше протона, а стала больше ныне наблюдаемой нами части.

§ Условие инфляции: при расширении § § плотность энергии остается постоянной. ? ? ? Привычная нам материя не обладает такими свойствами. Кандидат на эту роль – вакуум Эйнштейна-Глинера = темная энергия Неизвестно, тот же ли это вакуум, который описывают квантовые теории поля (они не учитывают гравитацию)

Свойства вакуума Эйнштейна-Глинера Постоянная и везде одинаковая плотность энергии ε ~ 7· 10– 30 г/см 3 и отрицательное давление, равное р =–ε плотности энергии по величине На такой на вакуум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространства-времени, и даже полностью их определяет, когда его плотность превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. А. Д. Чернин http: //atheismru. narod. ru/science/popular/chernin. htm

Сценарий Большого Взрыва

Гравитация Сильное ядерное взаимодействие Слабое взаимодействие Электромагнитное

до 10– 43 с Планковская эра 10– 35 с 10– 10 с Гравитация выделилась в отдельную силу Инфляция и отделение сильного взаимодействия Слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного Кварк-глюонная плазма

10– 3 с Формирование частиц – протонов и нейтронов из кварков

10– 3 с Формирование частиц – протонов и нейтронов из кварков до 3 мин 75% H Нуклеосинтез 25% He от 3 мин до 300 000 лет Рекомбинация (ядра, не атомы) ē и ядра объединяются в атомы

300 000 лет 3000 K Формирование атомов сделало Вселенную прозрачной для фотонов

Формирование атомов означало разделение вещества и излучения Они больше не превращались друг в друга с прежней интенсивностью Реликтовое излучение 300 тыс. лет ~ 1 млрд лет Формируются первые звезды и галактики

Что было до Большого взрыва? Далее – слайды из лекции А. Линде Многоликая Вселенная

Скалярные поля могут иметь очень много минимумов. Каждый минимум – новое вакуумное состояние. Элементарные частицы имеют разные свойства в разных вакуумных состояниях

Квантовые флуктуации во время инфляции могут разбить Вселенную на много частей, содержащих разные скалярные поля. Вселенная становится похожа на набор многих Вселенных с разными законами физики

В каждом из таких минимумов потенциала некоего поля может рождаться Вселенная со своими свойствами

Мультивселенные возникают как мутации какого-то универсального поля Наш мир Большой Взрыв?

Почему наша Вселенная так хорошо устроена?

Область разрешенных значений

Область разрешенных значений

Возможные ответы Она создана высшим разумом ради каких-то своих целей Виктор Пелевин. Затворник и Шестипалый Законы природы выводятся из какого-то начального постулата и просто не могут быть другими (теория всего) Существует много Вселенных со своими законами и мы живем в одной из них

Антропный принцип Слабый Если бы она была другой, некому бы было задавать этот вопрос. (Вселенная случайно оказалась такой, а возможно есть и другие) Сильный Вселенная обязана быть устроена так, чтобы в ней могла зародиться разумная жизнь

Против сильного Это аналогично попытке разработать теорию, пытающуюся вывести из первоначальных постулатов массу Земли Ситуация с массой электрона и константами взаимодействий может оказаться такой же

С. Хокинг Мир в ореховой скорлупке

Литература Ю. А. Насимович Звезды http: //www. astronet. ru/db/msg/1222187/cont. html Д. Ю. Климушкин Космология http: //cosmo. irk. ru/index. html С. Г. Рубин Устройство нашей Вселенной. М. : Фрязино. Век 2. 2006. http: //physics-vargin. net/books/popul/vselennaya/Rubin. rar М. И. Панасюк Странники Вселенной или эхо Большого взрыва http: //nuclphys. sinp. msu. ru/pilgrims/ http: //physics-vargin. net/books/popul/vselennaya/Stranniki_Vs. rar Стивен Хокинг. Мир в ореховой скорлупке. 2007 http: //physics-vargin. net/books/popul/vselennaya/Hoking_oreh. rar Виктор Пелевин Затворник и Шестипалый http: //pelevin. nov. ru/pov/pe-zatv/1. html

Слайды и рисунки Ссылки на источники рисунков даны под слайдами в строке заметок Саймон и Жаклин Миттон. Астрономия. Oxford University Press. , перевод М. Росман. 1995. http: //physicsvargin. net/books/popul/physica/astronomia. zip Lectures of Prof. George Rieke http: //ircamera. as. arizona. edu/Nat. Sci 102/syllabus. htm А. Линде Многоликая Вселенная http: //elementy. ru/lib/430484? context=2455814

Авторские права Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii. Net, согласившись с тем, что Вы можете свободно Вы НЕ имеете права § Копировать, распространять или § Использовать данную презентацию в образовательных целях с сохранением авторства. § Использовать рисунки и отдельные слайды в своих презентациях и на сайтах со ссылкой на данный сайт или автора. использовать ее другим способом для извлечения коммерческой выгоды. § Выкладывать на интернет-сайтах для скачивания. § Использовать слайды, текст и авторские рисунки без ссылок, выдавая их за свои. Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера. © М. А. Волошина 2009 http: //biologii. net