1. Принцип единства Адам осознавал свое одиночество, глядя на животных, ходивших парами. Но затем, увидев Еву, он воскликнул: «Вот, это кость от костей моих и плоть от плоти моей» (Быт. 2:23). Такое единство включает в себя не только физическое, но также психологическое и

2. Принцип взаимозависимости И снова Писание решительно заявляет: «Потому оставит человек отца своего и мать свою и прилепится к жене своей; и будут двое одна плоть» (Быт. 2:24). Этот принцип, повторенный Христом во время земного служения (Мф. 19:5), утверждает, что

3. Принцип эндогамии Павел настаивает на эндогамии в 2 Кор. 6:14: «Не преклоняйтесь под чужое ярмо с неверными, ибо какое общение праведности с беззаконием? Что общего у света с тьмою?» А в современном переводе Библии говорится так: «Не склоняйтесь под одно ярмо с неверующими;

4. Принцип моногамии Библия представляет полигамию, начавшуюся с Ламеха (Быт. 4:19), как проявление своеволия Божьих творений. Бог терпел ее, но она не была выражением Его благой воли в отношении людей. Боль, которую пережил Авраам в связи с Агарью (16:1–6), духовные переживания,

5. Принцип постоянства Брак должен быть союзом на всю жизнь - взаимоотношениями, которые оканчиваются только со смертью одного из партнеров. Склонность современного общества считать этот союз договорными отношениями, в которые можно легко вступать, а потом так же легко

6. Принцип уединения «Оставление» и «привязанность», заповеданная Богом (Быт. 2:24), предполагает определенное уединение супругов, что немаловажно для счастливого брака. Намерение Бога состоит в том, чтобы супружеская чета была ограждена от вмешательства даже

7. Принцип исключительности Еще один принцип, вытекающий из библейского повеления «оставить» и «прилепиться», содержится в определении Дж. Стотта:«Брак - это исключительный, гетеросексуальный завет между одним мужчиной и одной женщиной, освященный и запечатленный

Г. Принцип «день за год» Символические видения включают элементы времени, которые также представлены иносказательно. Согласно Дан. 7:25, маленький рог будет угнетать святых Всевышнего в течение «времени и времен и полувремени». В следующей главе один ангел говорит

в. Принцип В данном случае мы имеем подтверждение крайне важного принципа, имеющего большое значение и для современной церкви. Он заключается в том, что Бог призывает всех Своих людей на служение. Он призывает разных людей на разное служение, и те, кто призван «к молитве и

Космологический спор с неоконфуцианством Наибольшей напряженности спор двух культурно–цивилизационных традиций достиг во второй главе Тяньчжу шии?посвященной «разъяснению ошибочных представлений людей о Небесном Господе». Ее богатое содержание раскрывает многие

1. Принцип зла Как оценить добро, не зная зла? Как можно стремиться к свету, не испытав ужасов тьмы? Как бессмысленна и скучна была бы наша жизнь, когда б не зло! Зло причиняет страдания, а страдания пробуждают жажду лучшей жизни; недостатки заставляют нас

Краеугольный камень современной космологии составляет утверждение: место, которое мы занимаем во Вселенной, не является специальным. Это утверждение известно как космологический принцип . Интересно отметить, что большую часть истории цивилизации считалось, что мы занимаем особое место - в центре «мироздания» (не будем конкретизировать это понятие).

Краткая история космологических идей

В модели античных греков (Александр Птолемей) считалось, что Земля лежит в центре космоса… Коперник поместил в центр космоса Солнце. Ньютоновская теория поставила новую точку зрения на твердую основу. Ньютон предполагал, что звезды подобны нашему Солнцу. Они равномерно распределены в бесконечном пространстве в статических конфигурациях. Хотя Ньютон и знал, что такие статические конфигурации нестабильны.

В следующие 200 лет постепенно приходило понимание того, что ближайшие звезды распределены не равномерно, а образуют дископодобную структуру, которая теперь известна как галактика Млечный путь. Гершель был первым, кто идентифицировал дискообразную структуру еще в конце 1700-х, но эти наблюдения были несовершенны и привели к ошибочному выводу, что солнечная система лежит в центре диска. Только в начале 1900-х это утверждение было убедительно опровергнуто Шепли, который показал, что мы находимся на расстоянии две трети радиуса от центра галактики. Даже после этого, он, по-видимому, считал, что наша галактика находится в центре Вселенной. Только в 1952 году было окончательно продемонстрировано Baade, что Млечный путь абсолютно типичная галактика, приводящая к современной точке зрения, известной как космологический принцип : Вселенная выглядит одинаково, кто бы вы не были и где бы вы не были.

Важно подчеркнуть, что космологический принцип не точен (не следует понимать буквально): сидеть на лекции совсем не то, что сидеть в баре, внутренность Солнца существенно отличается от межзвездного пространства. Принцип является приближенным и выполняется тем лучше, чем с большими масштабами мы работаем. Даже на масштабах отдельной галактики он не очень хорош. Космологический принцип свойство глобальной Вселенной и нарушается, когда мы переходим к локальным явлениям.

Космологический принцип – основа космологии Большого взрыва. Большой взрыв –лучшее описание нашей Вселенной, которое мы имеем в настоящее время. Цель настоящей книги – пояснить это утверждение. Модель Большого взрыва – эволюционирующая сущность. В настоящем она очень отличается от той модели, которая имела место в прошлом. Вначале она была вынуждена соперничать с конкурирующей идеей стационарной Вселенной, которая утверждала, что Вселенная не эволюционирует, а всегда одинакова. Однако наблюдения поддерживают сценарий Большого взрыва, и конкурирующая теория почти никогда не рассматривается.

Обзор наблюдений

В истории астрономии ученые в основном полагались на видимый свет как источник наших знаний о Вселенной. Одно из основных достижений ХХ столетия использования всего спектра электромагнитного излучения для астрономических наблюдений. Имеющаяся аппаратура позволяет работать с радиоволнами, микроволновым и инфракрасным излучением, видимым светом, ультрафиолетом, рентгеном и гамма-излучением. Мы даже входим в эпоху, когда мы сможем даже выйти за пределы электромагнитного спектра и получать информацию другого типа. Замечательная особенность наблюдения близких сверхновых состоит в том, что мы можем видеть их с помощью детектирования нейтрино, слабовзаимодействующих частиц. Детектирование высокоэнергетических космических лучей теперь рутинная процедура, хотя происхождение лучей не совсем понятно. В настоящее время начинаются эксперименты по детектированию гравитационных волн, деформирующих пространство-время. Они помогут нам наблюдать такие события как столкновения звезд.

Наступление эпохи больших телескопов земного и спутникового базирования, работающих во всех участках электромагнитного спектра принесло революцию в наше восприятие Вселенной.

Текущие годы стали золотым веком наблюдательной космологии. Используя различные наблюдательные методы, физики и космологи объяснили космический микроволновой фон. Он явился наблюдательным окном, который обеспечил большую часть получаемой информации. Анизотропия космического микроволнового излучения, детектированная к настоящему времени в широкой области угловых масштабов, представила нам картину Вселенной во время рекомбинации, эпоху, когда космические фотоны испытали последнее рассеяние. Исследования крупномасштабных галактических скоплений обеспечило нас спектрами (получаемыми с все возрастающей точностью) распределения объектов во Вселенной, которые испускают свет. Это дает нам возможность получить распределение масс во Вселенной в настоящее время.

Что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$ различных составляющих.

Космология, обязанная «Планку»

В частности, анализ приведенной на рисунке карты всего неба, построенной по результатам WMAP, дает следующие результаты: возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет (с точностью до 1%); она состоит на 73% из темной энергии, на 23% из холодной и темной материи и только на 4% из атомов. В настоящее время Вселенная расширяется со скоростью 71 км/с/Мпс (с точностью до 5%), хотя в прошлом испытала ряд эпизодов быстрого расширения (инфляции). Параметры Вселенной таковы, что она будет неограниченно расширяться и в дальнейшем. Полученные результаты настолько интересны, что астрономы, по-видимому, еще долго будут заниматься их исследованием и интерпретацией.

Это говорит нам, что акустические колебания действительно имели место в первозданной плазме и что инфляционные адиабатические возмущения являются лучшими кандидатами для объяснения образования структур во Вселенной за счет гравитационной нестабильности. Мы также имеем очень точно измеренное содержание барионной компоненты \[{{\Omega }_{b}}{{h}^{2}}=0.0223_{-0.0009}^{+0.0007}\] Эта величина получается из отношения высот первых двух пиков и находится в согласии с предсказаниями по ядерному синтезу и относительному содержанию легких ядер. Акустический угловой масштаб в момент рекомбинации определяется с высокой точностью \[{{\theta }_{A}}=0.595\pm 0.002^0\](градусов). Таким образом, плоская модель всего лишь с шестью параметрами:

1. плотность барионов
2. плотность холодной темной материи
3. амплитуда скалярных возмущений
4. спектральный индекс скалярных возмущений
5. текущее значение константы Хаббла
6. Оптическая глубина в момент реионизации очень хорошо согласуется с текущими МКФ данными.

Что нужно делать после WMAP?

1. Необходимо улучшить инфляционные тесты, и, в частности, измерение бегущего спектрального индекса. WMAP намекает на отклонения от спектра Харрисона-Зельдовича $\left({{n}_{s}}=1 \right)$. Существенное отклонение от простой масштабной инвариантности стимулирует реалистические инфляционные модели.
2. Точное измерение плотности материи по данным МКФ все еще отсутствует. Это связано с тем, что для получения более надежной информации требуется реконструкция третьего акустического пика с точностью, сравнимой с определением первых двух пиков. Это невозможно сделать, используя текущие данные.

Однородность и изотропность

Доказательство того, что на больших масштабах Вселенная становится «гладкой» - основа космологического принципа. Считается, что на больших масштабах Вселенная обладает двумя важными свойствами: однородностью и изотропностью. Однородность эквивалентна утверждению, что Вселенная выглядит одинаковой в каждой точке, в то время как изотропность утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях.

Эти два понятия автоматически не подразумевают друг друга. Например, Вселенная с постоянным магнитным полем однородна, так как одинакова в любой точке. Однако, она не изотропна, так как направления по полю и перпендикулярно к нему не эквивалентны. Альтернативно, сферически симметричное распределение зарядов, рассматриваемое из центральной точки изотропно, но не обязательно однородно. Если же мы потребуем, чтоб это распределение было изотропно в каждой точке, то тогда оно будет также и однородным.

Как уже упоминалось, космологический принцип не является точным, и поэтому наша Вселенная не является в точности однородной и изотропной. Более того, изучение отклонений от однородности наиболее наиболее перспективные исследования в космологии. В основном мы сконцентрируем внимание на поведении Вселенной в целом, и поэтому будем предполагать крупномасштабную однородность и изотропность.

Расширение Вселенной

Ключевой факт наблюдательной космологии: почти все во Вселенной выглядит удаляющимся от нас, причем, чем дальше от нас находятся объекты, тем быстрее они удаляются. Скорости удаления измеряются по красному смещению, которое связано с эффектом Доплера применительно к световым волнам…. Эта техника была впервые использована В. Слифером в 1912 году. В следующие десятилетия она систематически применялась одним из наиболее известным космологом Эдвином Хабблом.

Оказывается, что все галактики удаляются от нас. В стандартной терминологии это означает красное смещение. Величина красного смещения $z$ определяется как

\
Если близкая галактика удаляется со скоростью $v$, красное смещение есть

На рисунке представлена диаграмма Хаббла для 1355 галактик. Формула (2.2) не учитывает эффектов СТО и справедлива только для $v/c\ll 1$. Точное выражение ((2.2) есть его разложение по малому параметру $v/c$)

Однако для удаленных объектов в космологии необходимы другие рассмотрения, и поэтому этим выражением пользоваться нельзя!
Хаббл осознал, что его результаты показывают: скорость удаления объекта пропорциональна удалению объекта от нас

\[\vec{v}={{H}_{0}}\vec{r}~~~~~~~~~~(2.3)\]

Константа пропорциональности известна как константа Хаббла. Закон Хаббла не точен. Как и космологический принцип, закон Хаббла не выполняется точно для близких галактик, которые, вообще говоря, участвуют в некоторых случайных движениях, известных как peculiar velocities. Но он описывает среднее поведение галактик очень хорошо. Многочисленные попытки определить константу пропорциональности до настоящего времени не приводили к консенсусу. Сейчас мы приближаемся к нему. На первый взгляд, космологический принцип нарушается, если мы наблюдаем, что все удаляется от нас, т.е. мы находимся в центре Вселенной. Однако никакое утверждение не может быть более далеким от правды, чем это. В этом легко убедить себя, рассмотрев квадратную решетку, все узлы которой удаляются от некоторой «центральной» точки со скоростями, пропорциональными расстоянию до центральной точки.

Перейдя в новую систему отсчета, соседнюю точку решети, легко убедиться, что закон Хаббла будет выполняться для нового «центра». Так получается только в силу линейности соотношения между скоростью и расстоянием. Любой другой закон разрушает эту изящную картину. Таким образом, хотя Вселенная расширяется она выглядит одинаково для всех наблюдателей, размещенных в какой-либо галактике. Полезна аналогия с выпечкой кекса с изюмом или надуванием шара с точкой на поверхности. По мере того как пирог всходит или шар надувается, изюминки или точки удаляются друг от друга. Из каждой точки кажется, что все другие точки удаляются. И удаляются тем быстрее, чем дальше они друг от друга.

Понятие расстояния в расширяющейся Вселенной, описываемой метрикой Фридмана, Робертсона, Уокера, требует пояснения. Так, его можно определять по угловому размеру источника со стандартными размерами (угловое расстояние), или по принимаемому от стандартного источника потоку излучения (фотометрическое расстояние), или по собственному движению источника со стандартной скоростью (метрическое расстояние). Очевидно, в плоском пространстве-времени все три способа дадут один и тот же результат. Но Вселенная описывается искривленным пространством-временем (даже если трехмерное пространство евклидово!) с изменяющимся масштабным фактором, поэтому указанные способы дадут существенно различные значения уже при $z\sim 1.$

Как с помощью вспышек сверхновых определить плотностной состав вселенной

Различные зависимости от $z$ - ключ к разгадыванию всех возможных вкладов в ${{\Omega }_{tot}}$ с помощью наблюдения вспышек сверхновых при различных и предпочтительно больших красных смещениях.

Для измерения расстояний в астрономии используется метод фотометрического параллакса. Источник света излучает фотоны. Мощность источника называется светимостью и измеряется в ваттах. Фотометрический инструмент (например глаз) измеряет не мощность источника, а поток фотонов в данном месте. Поток обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Значит, если мы знаем светимость и можем измерить поток, то можем вычислить расстояние до источника. В этом и заключается метод фотометрического параллакса. Для измерения фотометрического параллакса требуется знать светимость астрономических источников.

Это сложная проблема. Более просто определить светимость одной популяции источников. В частности можно достаточно точно измерить среднюю светимость источников одной популяции. Если разброс отдельных источников относительно среднего (дисперсия) невелик, то эту популяцию можно использовать для определения расстояния до источника. Мечта астрономов – открытие популяции с маленькой дисперсией. Такую популяцию назвали стандартной свечей. Один из примеров такой популяции цефеиды – переменные звезды, период изменения блеска которых прямо пропорционален светимости звезды. (астрономические объекты, принадлежащие популяции с большой дисперсией принято называть индикаторами расстояний).

Буквально в последние годы был найден источник, который можно рассматривать как стандартную свечу. Это сверхновые (SN) типа Ia. Такие звезды имеют высокую светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, в которой они вспыхивают. Поэтому они хорошо видны на межгалактических расстояниях.). Кроме того, они обладают очень хорошей однородностью светимости в максимуме блеска (блеск это, видимо, попадающий в прибор наблюдателя световой поток) Дисперсия светимости в максимуме блеска для этой популяции звезд $\delta m\approx 0.3-{{0.5}^{m}}$ звездной величины. Поток энергии для прежних индикаторов расстояния различался в десятки раз, что и вызывало большую неопределенность в определении расстояний. При учете тонких деталей спектра вспышки, а также при учете светимости не только в видимом, но и в ультрафиолетовом диапазоне дисперсия светимости в максимуме может быть уменьшена до $\delta m\approx {{0.15}^{m}}$.

Экспериментаторы (1998), работая с SN Ia обнаружили, что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$различных составляющих.

Действительно, световой поток полученный от удаленной сверхновой связан с ее абсолютной светимостью $L$ и ее фотометрическим расстоянием (luminosity distance)$$${{d}_{L}}$ соотношением

Если геометрия пространства эвклидова, то ${{d}_{L}}=\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}$. В ОТО, с другой стороны, геометрия пространства может быть неэвклидовой, и ${{d}_{L}}$ будет, вообще говоря, зависеть от геометрии пространства и от истории расширения Вселенной. Действительно, можно показать, что в пространственно плоской и расширяющейся FRW Вселенной ${{d}_{L}}$ имеет форму

\[{{d}_{L}}(z)=(1+z)\int\limits_{0}^{z}{\frac{d{z}"}{H({z}")}}\]

Предельный случай ${{\Omega }_{m}}=1,\ {{\Omega }_{\Lambda }}=0$ соответствует стандартной модели холодной темной материи (SCDM), в которой Вселенная замедляется по слабому степенному закону $a(t)\propto {{t}^{2/3}}$. Другой экстремальный пример ${{\Omega }_{\Lambda }}=1,\,{{\Omega }_{m}}=0$ описывает Вселенную де Ситтера (известную как устойчивое космологическое состояние), для которой $a(t)\propto \exp \left(\sqrt{\frac{\Lambda }{3}}ct \right)$. Таким образом сверхновая при красном смещении $z=3$ будет казаться в 9 раз ярче в $SCDM$ модели, чем в пространстве де Ситтера.

Уравнение Фридмана: классический намек

Уравнение Фридмана описывает расширение Вселенной и, следовательно, является наиболее важным уравнением в космологии. Одна из рутинных задач космолога – решение этого уравнения при различных предположениях относительно материального содержания Вселенной. Для того, чтобы вывести уравнение Фридмана, необходимо вычислить гравитационную потенциальную энергию и кинетическую энергию пробной частицы и затем воспользоваться законом сохранения энергии.
Рассмотрим наблюдателя в однородной расширяющейся Вселенной с массовой плотностью $\rho $. В силу однородности Вселенной любая точка может быть выбрана в качестве ее «центра». Рассмотрим пробную частицу массы $m$на расстоянии $r$, тогда (с учетом теоремы Гаусса)
\

и
\

Кинетическая энергия

и полная энергия
\

Заметим, что $U$ различно для частиц, разделенных различными расстояниями. Полная энергия
\

Это уравнение определяет эволюцию расстояния $r$ между двумя частицами.
Сделаем теперь важный шаг, который связан с тем, что эти аргументы применимы к любым двум частицам во Вселенной. Это позволяет нам перейти к новым координатам, которые известны как сопутствующие координаты. Эти координаты «переносятся» расширением. В силу того, что расширение однородно, связь между реальным расстоянием $\vec{r}$ и сопутствующим расстоянием может быть записана

\[\vec{r}=a(t)\vec{x}~~~~~~~~~~(**)\]

Где в силу однородности $a$зависит только от времени. Для понимания уравнения Фридмана, удобно представлять себе координатную решетку, расширяющуюся со временем. Галактики остаются в фиксированных точках решетки (в $\vec{x}$ координатной системе). Исходные $\vec{r}$ координаты, которые не подвергаются расширению, называются физическими координатами.
Величина $a(t)$ является ключевой и известна как масштабный фактор Вселенной. Она определяет универсальную скорость расширения. Являясь функцией только времени, она показывает как физические расстояния растут со временем, в то время как координатное расстояние $\left| {\vec{x}} \right|$ по определению фиксировано. Мы можем использовать масштабный фактор, чтобы переписать уравнение (*). Подставляя (**) в (*) и учитывая, что $\dot{x}=0$ (сопутствующие координаты при расширении фиксированы), получим

Полагая $k{{c}^{2}}=-2U/m{{x}^{2}}$, это уравнение можно представить в виде

\[{{\left(\frac{{\dot{a}}}{a} \right)}^{2}}=\frac{8\pi G}{3}\rho -\frac{k{{c}^{2}}}{{{a}^{2}}}\]

Это уравнение Фридмана –важнейшее уравнение космологии. В этом выражении $k$ должно не зависеть ни от координат, ни от времени. Эта величина имеет размерность ${{\left[ L \right]}^{-2}}.$ Расширяющаяся Вселенная имеет единственное значение $k$, которое сохраняется в процессе расширения.

Cмысл расширения

Каков смысл расширения Вселенной? Давайте начнем с того, какой смысл не вкладывается в это понятие. Это не означает, что ваше тело постоянно увеличивается со временем (и, конечно, не является оправданием, если это все-таки происходит). Это не означает, что земная орбита со временем удаляется от Солнца. Это не означает, что звезды в нашей галактике удаляются друг от друга со временем. Но это означает, удаленные галактики разбегаются со временем. Ответ на вопрос зависит от того, управляется ли движение объекта кумулятивным гравитационным эффектом однородного распределения материи. Атомы в нашем теле нет.

Расстояния между ними диктуются силами химической связи, в которых гравитация несущественна. Поэтому молекулярные структуры не будут подвержены расширению. Аналогично, движение Земли по орбите (почти) полностью определяется притяжением Солнца (с небольшим влиянием других планет). И даже звезды в нашей галактике двигаются в потенциальной яме, которую они сами и создают. И не удаляются друг от друга. Общая особенность как солнечной системы так и галактик – их плотность существенно превосходит плотность гладко распределенной материи, которую мы использовали при выводе уравнений Фридмана. Но если мы перейдем к большим масштабам, десятки мегапарсек, Вселенная будет эффективно изотропной и однородной с галактиками, уплывающими друг от друга, как это предсказывают уравнения Фридмана. На этих больших масштабах работает космологический принцип и ощущается расширение Вселенной.

Объекты, которые двигаются быстрее света

Общий вопрос, который волнует людей: могут ли удаленные галактики разбегаться со скоростью больше скорости света? Так как скорость разбегания пропорциональна расстоянию между галактиками, то если мы рассмотрим достаточно удаленные галактики, то мы можем сделать скорости сколь угодно большими в нарушение специальной относительности. Ответ на этот вопрос таков. В наших теоретических предсказаниях могут появиться объекты, удаляющиеся со скоростями больше скорости света. Однако это происходит в пространстве, которое само по себе расширяется. Это не нарушает причинность, потому что никакой сигнал не может быть послан между такими галактиками.

Кроме того, специальная теория относительности не нарушается, потому что она относится к относительным скоростям объектов, проходящих вблизи друг друга, и не может быть использована для сравнения относительных скоростей удаленных объектов. Чтобы понять это, вообразим группу муравьев на воздушном шаре. Представим, что быстрейшие муравьи могут двигаться со скоростью 1см/сек. Если два муравья проходят друг мимо друга, то наибольшая относительная скорость 2см/сек, если они двигаются в противоположном направлении. Начнем надувать шар. Хотя муравьи, блуждающие по поверхности, все еще имеют скорость, не превосходящую 1см/сек, но шар расширяется под ними. Следовательно, их относительная скорость легко превзойдет 2см/сек, если шар надувать достаточно быстро (а если медленно?). Но они никогда не могут рассказать друг другу об этом, потому что шар растаскивает их быстрее, чем они могут двигаться вместе, даже при полной скорости. Любые два муравья, которые стартуют достаточно близко друг к другу и могут проходить мимо обладают относительной скоростью, не превосходящей 2 см/сек, даже если Вселенная расширяется. Расширяющееся пространство подобно надуваемому шару и тащит галактики за собой.

Уравнение сохранения: термодинамический взгляд

Будучи фундаментальным, уравнение Фридмана тем не менее не может использоваться без уравнения, описывающего как плотность $\rho $ компонент Вселенной зависит от времени. Это уравнение включает давление материала и называется уравнением жидкости. Как мы вскоре увидим, различные материалы имеют разное давление, а это приводит к различным эволюциям. Мы можем получить необходимое уравнение, написав первый закон термодинамики \ И применив его к расширяющемуся объему единичного сопутствующего радиуса (размера), получим $(dS=0)$ \[\dot{\rho }+3\frac{{\dot{a}}}{a}(\rho +\frac{p}{{{c}^{2}}})=0\]

Как мы видим два члена дают вклад в изменение плотности. Первый член описывает уменьшение плотности за счет увеличения объема. Второй член описывает уменьшение энергии за счет того, что давление совершает работу при увеличении объема Вселенной. Эта энергия не исчезает (энергия, конечно, сохраняется). Она переходит в потенциальную гравитационную энергию.

Подчеркнем, что в однородной Вселенной отсутствуют силы, связанные с давлением, потому что плотность и давление всюду одинаковы. Требуется градиент давления, чтобы возникла сила. Поэтому давление не дает вклад в силу, способствующую расширению. Его эффект проявляется только в работе, выполненной при расширении Вселенной.

Мы еще не готовы решить уравнение Фридмана, так как не конкретизировали зависимость давления для конкретного материала, заполняющего Вселенную. Обычное предположение, известное как уравнение состояния, $p=p(\rho)$. Простейшее предположение – отсутствие давления, как это имеет место для нерелятивистской материи.

Уравнение для ускорения

Уравнение Фридмана и жидкостное уравнение можно использовать для получения третьего уравнения (конечно, не независимого), описывающего ускорение масштабного фактора \[\frac{{\ddot{a}}}{a}=-\frac{4\pi G}{3}(\rho +\frac{3p}{{{c}^{2}}})\] (3.18) Заметим, что какое бы давление (положительное) не имел материал, оно увеличивает гравитационные силы и приводит к дополнительному замедлению ускорения. Напомню, что нет сил, связанных с давлением в изотропной Вселенной, так как отсутствуют градиенты давления.

Открытие темной энергии одно из наиболее удивительных и глубоких открытий в истории науки.

1. Основная часть энергии во Вселенной не является (обычной) материей. В свои первые 300 лет (от Начал Ньютона) физика сосредоточила внимание на свойствах материи и излучения (включая темную материю).
2. Основная часть энергии во Вселенной не является гравитационно притягивающей. Мы, видимо, последнее поколение, которое думает, что гравитация всегда притягивает. Это понятие доминировало как основное свойство природы в течение многих сотен лет. Теперь мы знаем, что гравитация может также и отталкивать. Конечно, возможность существования самоотталкивательных форм энергии существует в ОТО в качестве исходного положения. Но до настоящего времени это положение не пользовалось успехом. Мы должны переписать учебники, чтобы объяснить, что гравитационно притягивающая материя, которая нам известна, есть лишь малая часть Вселенной сегодня и в неограниченном будущем.
3. Мы живем в особое время развития Вселенной. Коперниковская революция научила нас, что нет ничего особого в нашем положении во Вселенной. Если пространство однородно, то правильно ли то же самое для времени? Открытие Хаббла научила нас тому, что Вселенная эволюционирует, но в течение последних 15 млд лет эта эволюция происходит плавно, без заметных изменений. Теперь мы знаем, что время $anti-Copernican.$ Мы живем в особый момент космической истории, момент перехода от замедляющейся, материально доминированной Вселенной и ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует Темная энергия. Прогрессирующее образование сверх больших структур и увеличение сложности, то чем характеризуется материально доминированная Вселенная, достигло конца и теперь Вселенная открывает период сверх пустоты и бесструктурности
4. Будущее (а может и прошлое (в теориях циклической Вселенной)) определяется темной энергией
5. Осознание идентичности темных компонент (темной материи и темной энергии) один из величайших вызовов 21 столетия.

Стандартная космологическая модель – современное состояние

Несмотря на колоссальный приток наблюдательных данных (особенно следует отметить окончательные результаты эксперимента WMAP и результаты по сверхновым), все они, в пределах ошибок наблюдений, продолжают укладываться в современную парадигму четырехстадийной эволюции нашей Вселенной, частью которой является стандартная модель современной Вселенной.

Эти 4 основных стадии – вакуумоподобная квази-де-ситтеровская, или инфляционная стадия в ранней Вселенной, за которой (после промежуточной стадии рождения и разогрева обычной материи) следует стадия доминирования горячей ультра-релятивистской материи (исторически названная Большим Взрывом), которая относительно недавно (при красном смещении $z \approx 3200$) сменяется стадией доминирования нерелятивистской материи (холодной темной небарионной материи и барионов). Наконец, уже в наше время, начиная с z

Последняя стадия поддерживается темной энергией. Соответственно, для количественного описания требуются четыре новых (по отношению к стандартной модели элементарных частиц) безразмерных постоянных, которые на современном уровне понимания либо сами являются фундаментальными постоянными микрофизики, либо связаны с ними через теоретические модели. Это безразмерная амплитуда начальных, приближенно масштабно-инвариантных возмущений плотности материи, отношение числа фотонов реликтового излучения к числу барионов, отношение плотностей холодной темной небарионной материи и барионов и, наконец, практически не зависящая от z плотность энергии современной темной энергии, обезразмеренная известными фундаментальными постоянными. На современном теоретическом уровне уменьшить число этих постоянных нельзя. Однако оно существено меньше, чем число фундаментальных безразмерных постоянных в стандартной модели элементарных частиц. В настоящее время уже ясно, что начальный спектр возмущений не является строго масштабно-инвариантным, так что для его количественного описания требуется по крайней мере еще одно число (окончательного доказательства этого мы ожидаем от эксперимента Planck).

Здесь однако могут помочь инфляционные модели ранней Вселенной, в которых все параметры начального спектра выражаются в максимально простом случае через одну безразмерную постоянную, и я приведу примеры таких моделей, которые еще остаются жизнеспособными (это как раз пионерские модели инфляции). Другое ожидаемое здесь фундаментальное открытие – это первичные гравитационные волны (через обнаружение В-моды поляризации реликтового излучения), но чувствительности Planck может для этого не хватить.

Что касается темной небарионной нерелятивистской материи, про которую мы уже знаем, что она почти бесстолкновительная, то здесь наиболее замечательным явилось бы ее прямое детектирование в наземных экспериментах.

Aстрономическими методами можно открыть ее аннигиляцию в фотоны, а также определить, в какой мере она все-таки является столкновительной, из структуры темного галактического гало (в т.ч. в центре) и количества спутников массивных галактик. Наконец, главной целью исследования темной энергии во Вселенной является поиск слабого отличия ее тензора энергии-импульса от точной космологической постоянной. Пока никакого отличия не найдено на уровне относительной точности ~ 10%, однако я приведу аргументы, почему такой поиск не безнадежен. Один из простейших классов моделей темной энергии, альтернативных космологической постоянной, строится на основе f(R) гравитации.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Взгляды на природу исходного состояния, с которого началась эволюция Вселенной, постоянно носят философский характер. Так было, когда по этому поводу высказывались древнегреческие философы, располагавшие ничтожным багажом теоретических и эмпири-ческих знаний; так обстоит дело и в настоящее время, когда этой проблемой занимаются ученые, в распоряжении которых имеются развернутые физические теории, изысканный математический аппарат и широкий диапазон эмпирических данных. Античных и совре-менных исследователей этой проблемы объединяет уверенность в том, что исходное состояние Вселенной было простейшим из возможных. Для древних, таким состоянием был некий первичный хаос. Что касается современных космологов, то их суждения по поводу того, какое состояние Вселенной следует признать простейшим, достаточно разно-образны. Так, например, для бельгийского аббата и ученого Ж.Леметра простейшим из всех возможных состояний было такое состояние Вселенной, при котором вся материя содержалась бы в одном атомном ядре. Г.Гамов в качестве простейшего состояния рас-сматривал Вселенную, имеющую вид крайне разряженного состояния.

В современной науке широкое обсуждение получил вопрос о взаимосвязи и взаимо-обусловленности человека и Вселенной, который звучит следующим образом: почему предпосылки возникновения человека и человеческого разума во Вселенной оказываются обеспеченными уже на уровне фундаментальных законов природы и на стадии первичной плазмы, из которых возникла данная Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые пытаются найти в антропном космологическом принципе, который был впервые сформулирован в 1967г. Д.Дикке, и развит в дальнейшем американским космологом Б.Картером, которому и принадлежит сам термин « антропный принцип».

Суть антропного космологического принципа (АКП) заключается в том, что жизнь и разум во Вселенной возможны только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физичес-ких констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни и разума было бы, в принципе, невозможно.

Действительно, почему природа устроена именно так, а не иначе? Ведь существует логическая возможность иных Вселенных, управляемых иными законами. Известно, что имеются фундаментальные физические постоянные (постоянная тяготения, постоянная Планка, заряда электрона, массы электрона и протона, скорости света и др.), а также некоторые космологические параметры, определяющие глобальные свойства нашего мира. Они случайны или необходимы? Ведь даже небольшое изменение одного из пара-метров, если бы оно произошло в действительности, вывело бы из строя одно или нес-колько звеньев «тонко надстроенной» эволюционной цепи, необходимой для возникно-вения во Вселенной устойчивых структур (ядер, атомов, звезд и т.д.), которое образует основу нашего высокоорганизованного мира. По словам Картера, антропный космологи-ческий принцип разумно было бы считать « реакцией против чрезмерно слепого следова-ния принципу Коперника», запрещающему человеку ставить себя в привилегированное положение во Вселенной. АКП претендует, по существу, на объяснение именно выделен-ности той космологической эпохи, в которую во Вселенной существуют разумные существа. Таким образом, АКП констатирует необходимую связь между наличием во Вселенной разумных существ и фундаментальными физическими параметрами нашего мира, которые делают это возможным. В современном виде АКП был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах: слабом и сильном. Суть «слабого» АКП, по словам Картера в том, что «наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием в качестве наблюдателем». Мы видим Вселенную такой, какая она есть потому, что будь она другой, нас бы не было, и мы не могли бы её наблюдать.

«Сильный» АКП утверждает, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Это вариант АКП очень хорошо укладывается в религиозную концепцию программирования жизни, поскольку приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе её развития. И что создание условий для появления «наблюдателя» является целью развития Вселенной. Но креоционистская концепция не выдерживает критики даже с позиций формальной логики. Ведь если Бог сотворил мир, то кто сотворил Бога, и если Бог создал сам себя, то почему мир тоже не мог сотворить себя сам?

Единственным корректным выходом из данной ситуации является введение определённых онтологических допущений, естественным образом объясняющих «тонкую подстройку» физических параметров. Её можно истолковать, например, как «счастливую случайность», постулировав множество Вселенных, в которых реализуются всевозможные комбинации параметров. Одна (или несколько) из Вселенных этого потенциально бесконечного множества оказывается случайно наделенной всеми условиями, необходимыми для формирования высокоорганизованных структур, жизни и разума.

Религия всегда оказывается права. Она разрешает все вопросы и, следовательно, снимает все вопросы в мире. Религия придает нам уверенность, незыблемость, умиротворение и сознание абсолютности. Она защищает нас от прогресса, который всех нас приводит в трепет. Наука поступает совсем наоборот. Она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десяток новых.

Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем десятилетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения, развития и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах - от элементарных частиц до сверхскоплений галактик. С возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи и в конце концов жизнь и человек.

Почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных мировых постоянных, характеризующих физические взаимодействия, и бесконечного разнообразия начальных условий, которые могли существовать в очень ранней Вселенной, реализуются величины и условия, приводящие к вполне конкретному набору особенностей, наблюдаемых нами? В пространстве N измерений точечные источники взаимодействуют с силой, гдеr - расстояние между источниками. Можно показать, что устойчивые движения двух тел, взаимодействующих по такому закону, отсутствуют при N3. Еще в 20-е годыXX столетия П. Эренфест показал, что если бы число пространственных координат N было равно четырем, то не су-

ществовало бы замкнутых орбит планет и, естественно, Солнечной системы и человека. При N = 4 была бы невозможна также атомная структура вещества. При N < 2 движение происходит в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как связанные, так и несвязанные движения, что как раз и реализуется в наблюдаемой Вселенной.

Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем, удачно приспособлена для нашего существования. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.). В наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение, вернее согласование энергии расширения Вселенной и ее гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, слабого, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивает возможность возникновения галактик и звезд, в том числе стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение многих миллиардов лет.

Для иллюстрации связи характеристик Вселенной с физическими константами представьте себе, что произошло бы при изменении значений фундаментальных мировых постоянных. Например, если бы масса электрона была в 3-4 раза выше ее нынешнего значения, то время существования нейтрального атома водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из нейтронов, и многообразия атомов и молекул в их современном виде просто не существовало бы.

Современная структура Вселенной очень жестко обусловлена величинойт. е. разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень мала и составляет всего около 10 -3 от массы протона. Однако если бы она была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов привело бы к тому, что уже в первые минуты расширения Вселенной водород полностью бы выгорел и основным элементом в ней стал бы гелий.

Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может существенно отклоняться от своего значения - 1/137. Если бы, например, она была 1/80, то все частицы, обладающие массой покоя, аннигилировали бы и Вселенная состояла бы только из безмассовых частиц.

Достаточно было сравнительно небольшого отличия констант от существующих в действительности, чтобы либо галактики и звезды вообще бы не успели возникнуть к нашему времени (если бы константа гравитационного взаимодействия была на 8-10% меньше), либо, звезды эволюционировали бы слишком быстро (если бы она была больше на 8-10%). В соотношении констант обнаружены такие тонкости, что, например, константа сильного взаимодействия обеспечивает протекание ядерного синтеза в недрах звезд с образованием углерода и кислорода, которые поставляются в космос при взрыве сверхновых звезд, и служат в дальнейшем материалом для формирования звезд второго поколения типа Солнца и планетных систем. Ясно, что даже небольшого отклонения от константы сильного взаимодействия было бы достаточно, чтобы жизнь на Земле оказалась невозможной. Если бы величины этих констант несколько отличались от их значений, то свойства Вселенной были бы совсем другими. Эти самые свойства являются условиями возникновения той формы жизни, которая существует на Земле. Сущность антропного принципа в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней существующей формы жизни. Можно сказать, что нам просто повезло - константы в Метагалактике оказались благоприятствующими для возникновения жизни и поэтому мы существуем и познаем Вселенную. Но наряду с такой Метагалактикой имеются многие другие с иными константами, с другим распределением материи, геометрией и даже, возможно, с другими размерностями пространства, совершенно неподходящими для жизни, с условиями, которые трудно вообразить. Другие Метагалактики - это "миры иных констант". Некоторые из них совсем не похожи на нашу

Вселенную, но вполне возможно, что в каких-то метагалактиках есть и разумные существа.

Суть антропного принципа заключается в следующем: Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем мы, т. е. наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах Вселенной; при других параметрах во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь в известных нам формах. Выше было отмечено, что даже небольшие изменения фундаментальных постоянных приводят к качественным изменениям свойств Вселенной, в частности к невозможности существования сложных структур, а значит, и самой жизни.

Возможность согласованного и сильного изменения всего набора физических констант, параметров Вселенной (а в принципе и физических законов) так, чтобы получить модели других вселенных, в которых выполнены если не достаточные, то хотя бы необходимые условия для возникновения сложных структур и жизни, представляется интересным. Конечно, такая задача в полном объеме пока не разрешима.

Познание человеком свойств Вселенной - тоже эволюционный процесс, зависящий от уровня развития человеческого общества и в первую очередь от уровня развития науки. Образы Вселенной на каждом историческом этапе были различны. Всех свойств нашей Вселенной мы еще не знаем, но фантазия теоретиков уже блуждает в запутанных лабиринтах предположений о свойствах других возможных Вселенных. Антропный принцип отнюдь не исключает возможности их существования. Их свойства могут быть таковы, что возникновение жизни в них будет невозможно и их эволюция будет проходить "без свидетелей".