Дайте сравнительный анализ существующим моделям Вселенной(билет 10)

Модели Вселенной строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности.

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить об их времени жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты порождали бы свой неизменный бег по рискованным орбитам.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г.. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. В начале 20-х годов российский физик А. Фридман предложил модель нестационарной Вселенной. Он показал, что мир должен либо расширяться, либо сжиматься, причем решающее значение для его поведения имеет плотность вещества. Если она больше так называемой критической плотности, то мир сферичен, имеет положительную кривизну, а его геометрия не является евклидовой. Такой мир должен быть когда-то сверхплотным и занимать очень малый объем. Затем он постепенно расширился и достиг некоторого предельного объема, после чего началось его убыстряющееся сжатие, сменившееся расширением. Такой мир называется пульсирующим: у него нет границ, его объем ограничен. Другими словами, он является закрытым.

Если же средняя плотность вещества Вселенной меньше критической, то от некоторого сверхплотного состояния с малым объемом мир должен был неограниченно расширяться. Так как пространство такого мира имеет кривизну (отрицательную в данном случае), его геометрия также неевклидова. Согласно этой модели, объем мира с течением времени неограниченно возрастает. Другими словами, он является открытым.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, -- система галактик расширяется.

Общим для моделей Вселенной является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей. Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек, и свойства не зависят от направления. Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной

В основе моделей лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства-времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества. В зависимости от кривизны пространства различают: открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, замкнутую модель с положительной кривизной.

Расстояние между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь каких-либо границ.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся на том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в точке сингулярности, в которой была сосредоточена материя.

Дата добавления: 2014-11-18