астрономия

Возникновение космологии

Главная » Космодромы и освоение космоса » Возникновение космологии

До сих пор предметом нашего интереса были составные части Вселенной: планеты, звезды, их скопления, галактики. Точно так же различные области медицины занимаются отдельными органами и системами человеческого организма. И как этот организм живет по законам, не похожим на принципы деятельности своих органов, так и Вселенная развивается по особым законам, не сводящимся к свойствам своих подсистем. Исследованием именно этих принципов занимается специальный раздел астрономии — космология. Она изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Космология действует на стыке со многими сложными разделами физики, такими как теория гравитации, физика элементарных частиц и сверхвысоких энергий.

Современная космология возникла в прошлом столетии. Датой ее рождения можно считать 1915 г., когда Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности (ОТО). Благодаря решениям уравнений Эйнштейна были описаны такие объекты, как черные дыры, уточнено движение планет, звезд и целых галактик. В этой теории было предсказано существование гравитационных волн, совсем недавно открытых экспериментально. Именно ОТО лежит в основе современных моделей Вселенной и ее развития во времени (эволюции).

Физика существует в пространстве (то есть в нем происходят физические процессы), но пространство, описываемое геометрией, обитает само по себе, то есть не зависит от того, что в ней происходит. Это просто фон или сцена, на которой разыгрываются события в мироздании. Например, считалось, что гравитация создается материальными телами, существует в нашем обычном (трехмерном евклидовом) пространстве, ничуть не влияя на него.

Любое событие (движения и столкновения тел, распад атомов, взрывы звезд и др.) может быть помечено четырьмя числами: положением в пространстве (тремя пространственными координатами), где оно произошло, и моментом времени, когда это событие случилось. В классической физике, в том числе в ньютоновской теории тяготения, пространственные и временная координаты существуют независимо друг от друга. Это как разные бирки на одном товаре, сообщающие нам о его различных достоинствах.

В ОТО к трем основным измерениям пространства добавляется еще одно — время. В результате получается единое геометрическое пространство, названное пространством-временем. В нем все координаты равноправны и имеют одинаковую природу. В отличие от обычного трехмерного пространства, где мы обитаем, новое пространство является четырехмерным.

Эйнштейн в ОТО объединил геометрические свойства такого пространства с физической природой 1равитации. Иными словами, он на математическом языке геометрических пространств сумел описать физическую реальность — гравитацию. Правда, геометрия и описываемые ею пространства не евклидова, а так называемая риманова. Каждое событие во Вселенной происходит в четырехмерном мире пространства-времени.

Главная идея, с помощью которой Эйнштейн объяснил гравитационные взаимодействия, очень проста. Гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В ОТО пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массами и энергией (любой). Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией, а по геометрическим линиям, которые называются геодезическими.

Сила притяжения (знакомая нам до боли при падении) в ОТО рассматривается как искажение или деформация пространства-времени, произошедшая под воздействием находящихся в нем тел. Это можно наглядно продемонстрировать, положив тяжелый предмет на батут: впадина под предметом — искривление пространства-времени, скатывание в центр впадины более мелких предметов — проявление силы притяжения.

Когда гравитация слаба и не играет никакой роли (например, на уровне атомных явлений), это четырехмерное пространство неискривленное, плоское, евклидово. Но в косоно наделяется кривизной, определяющей движение материальных объектов. Гравитационные поля в ОТО выражаются через кривизну четырехмерного пространства-времени.

В ОТО тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве соответствуют прямым линиям в трехмерном. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве.

Пространство-время особенно искривляется в присутствии больших масс, таких как Солнце. Чем ближе к нему, тем больше кривизна. Иными словами, геометрия пространства-времени в окрестности больших материальных тел становится неевклидовой. Это искривление и есть поле тяготения. Планета движется по эллипсу вокруг Солнца не потому, что светило притягивает ее, а благодаря особым свойствам искривленного пространства-времени.















Это интересно...

Из двенадцати самых ярких звезд, Капелла - самая северная.