Методы и приборы для изучения вселенной

На протяжении более двух веков, законы Ньютона  применяются на практике и благодаря  им стали возможны огромные достижения в физике, астрономии и космологии. Вплоть до середины 19 века в научном мире допускалась возможность мгновенного воздействия одного тела на другое без промежуточной среды. При этом Ньютон понимал, что такая среда–эфир должна существовать.

В 1692 году, в одном из писем своему другу  Ричарду Бентли (1668- 1742 , английский ученый- в это время глава Тринити-колледжа в Кембридже) Ньютон писал: "То что, тяготение должно быть внутренне  присущим, неотъемлемым образом необходимым  для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой  нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием  дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно  действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям".

Только  в конце 19 века получила запоздалое признание гипотеза, выдвинутая голландским  физиком Гюйгенсом о распространении  света волнами в некой среде(эфире.

В истории  развития космологии важное место занимает знаменитая гипотеза Лапласа(ЛАПЛАС, ПЬЕР СИМОН ,1749–1827, французский математик, физик и астроном) о формировании Солнечной системы (небулярная гипотеза), которую он сформулировал в книге "Изложение системы мира"(1796). Лаплас предположил, что Солнечная система рождена из горячей газовой туманности, окружавшей молодое Солнце. Постепенно туманность остыла и под действием тяготения начала сжиматься. С уменьшением её размеров она вращалась всё быстрее. Из-за быстрого вращения центробежные силы стали сравнимыми с силой тяготения, и туманность сплющилась, превратилась в околосолнечный диск, который начал разбиваться на кольца. Чем ближе к Солнцу было кольцо, тем быстрее оно вращалось. Вещество каждого кольца постепенно остыло. Так как вещество в кольце не было распределено однородно, отдельные его сгустки благодаря тяготению начали сжиматься и собираться вместе. В конце концов кольцо из сгустков превратилось в протопланету. Каждая протопланета вращалась вокруг оси и в результате этого могли образоваться её спутники.

Физические  эффекты «остывания»  и «гравитационного сжатия», которыми пользовался  Лаплас, являются главными и в современных  моделях образования  Солнечной системы.

Большое влияние на дальнейшее развитие всей физики оказали идеи английского  ученого Фарадея (1791-1867) об электрическом  и магнитном полях и о волновом процессе распространения электромагнитных взаимодействий. Ему принадлежат  открытие магнитной индукции, законов  электролиза и прохождения тока в различных электрических цепях. Он указал на чрезвычайно важную роль в явлениях электричества и магнетизма промежуточной среды, которая заполняет  пространство между телами, как будто  бы действующими друг на друга непосредственно. Фарадей ввел в физику новое понятие -концепцию поля, описываемого им с  помощью силовых линий. Он был  убежден, что окружающее магнит пространство(среда)- "... играет столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной  системы".

Джеймс  Максвелл (1831-1879) математически развил идею Фарадея о роли промежуточной  среды в электрических и магнитных  взаимодействиях и попытался (вслед  за Фарадеем) истолковать эту среду  как всепроникающий мировой эфир. Электромагнитную теорию Максвелл развивает  в работах «О физических линиях силы» (1861—1862) и "Динамическая теория поля" (1864—1865).

Максвелл  сформулировал математические законы единого электромагнитного поля -взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей.

Уравнения Максвелла связывают величины характеризующие  электромагнитное поле с его источниками, то есть с распределением в пространстве электрических зарядов и токов. Анализ этих уравнений позволил Максвеллу  предсказать многие неизвестные  до того явления и закономерности. Из них следовало, что электромагнитные колебания от источника распространяются в некой гипотетической упругой  среде в виде поперечных электромагнитных волн, скорость распространения которых в вакууме равна скорости света. Это подтверждало электромагнитную природу света.

Таким образом, для распространения электромагнитных волн требовалась среда, то-есть эфир, поиски которого продолжались.

В 1881 году американские ученые Майкельсон и Морли  в течение длительного времени  пытались обнаружить какие-либо явления, подтверждающие существование эфира, однако безуспешно.

Кроме того, оказалось, что скорость света  представляет собой постоянную и  максимальную величину, увеличить которую  невозможно.

В 1888году максвелловская теория электромагнитных волн получила подтверждение в опытах Г.Герца (1857-1894)-немецкого физика и  инженера.

Герц  получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, придал удобную форму его уравнениям и дополнил теорию Максвелла теорией  электромагнитного излучения. Полученные им результаты,стали основой развития беспроводной телеграфной и телефонной связи.

В начале XX в. был сделан целый ряд открытий, в корне изменивших видение мира современным естествознанием. Теория относительности А. Эйнштейна, опыты  Резерфорда с альфа-частицами, работы Нильса Бора, исследования в химии, биологии, психологии и других науках показали. что мир гораздо разнообразнее, сложнее, чем это представлялось механистической науке, и что  сознание человека изначально включено в само наше восприятие действительности.

Согласно  теории относительности пространство не трехмерно, а время не линейно. И то, и другое не являются отдельными самостоятельными сущностями. Они тесно  переплетены и образуют пространственно-временной  континуум. Поток времени не является равномерным и однородным, он зависит  от позиции наблюдателя и его  скорости относительно наблюдаемого события. Кроме того, в общей теории относительности речь идет о том, что пространство и время находятся в тесной связи с массой тел: возле гигантских космических тел пространство способно искривляться, а время – замедляться.

В 1901 году русский физик П.Н.Лебедев экспериментально подтвердил, предсказанное в теории Макссвелла, давление электромагнитных волн на твердое тело.

Проблемы, с которыми столкнулся научный мир  на рубеже 19 – 20 веков, подрбно анализируются  в книге А.Эйнштейна и Л.Инфельда – «Эволюция физики». Они пришли к следующим выводам:

"Если  мы хотим объяснить оптические  явления механистически, то следует  предположить, что эфир существует  повсюду. Если свет передается  только в среде, то не может  быть никакого пустого пространства..... В оптике мы должны отдать  предпочтение волновой теории  света перед корпускулярной….  Мы знаем, что все вещество  состоит лишь из частиц немногих  видов. Как различные формы  вещества построены из этих  элементарных частиц? Как эти  элементарные частицы взаимодействуют  с полем? Поиски ответа на  эти вопросы привели к новым  идеям в физике, идеям квантовой  теории... Если бы мы должны  были характеризовать основные  идеи квантовой теории в одном  предложении, мы могли бы сказать:  следует предположить, что некоторые  физические величины, до тех пор  считавшиеся непрерывными, состоят  из элементарных квантов".

В 1905 году для объяснения явлений фотоэффекта  АльбертЭйнштейн, использовав квантовую  гипотезу Планка, предположил, что свет также состоит из квантов, которые  впоследствии назвали фотонами.

В том  же 1905 г. в своей фундаментальной  физической теории, получившей наименование Специальной теории относительности, он отказался от идеи мирового эфира  и сформулировал новые законы механики, когда скорость движения частиц (тел) приближается к скорости света. Специальная, теория относительности  основывается на двух фундаментальных  положениях:

физические  законы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и  равномерно друг относительно друга; скорость света всегда имеет одно и то же значение и не зависит от скорости движения наблюдателя или источника. света.

В 1916 г. Эйнштейн завершил создание своей Общей  теории относительности, в которой  устанавливает связь между тяготением и неразрывным понятием – «пространство — время». Материальным носителем тяготения оказалось само пространство (точнее, пространство-время), а «всемирное тяготение» объясняется как результат движения тел в искривленном вблизи другого тела пространстве.

и чем  больше её масса , тем искривление  сильнее.

В 1922 советский  математик и геофизик А. А. Фридман  нашёл нестационарные решения гравитационного  уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной. Модель Фридмана описывает однородную изотропную Вселенную  с веществом, обладающей положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной.

Независимо  от него описываемую модель позднее  разрабатывали Леметр (1927), Робертсон  и Уокер (1935).

В этой модели наблюдаемая нами сейчас часть  Вселенной возникла около 13 млрд лет  назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и  плотностью около 1093 г/см3 (Планковская  плотность).

В результате Большого взрыва, Вселенная расширялась, заполняя пространство очень плотным  веществом, из которого через миллиарды  лет образовались наблюдаемые тела -звезды и планеты.

В 1946 году американский физик Г.А.Гамов дополнил теорию Фридмана предположением, что  первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной, после Большого взрыва, обладали высокой плотностью и температурой. После образования ядер лёгких элементов (примерно через 100 секунд после Большого взрыва) вещество ещё длительное время (около 1 млн. лет) представляло собой плазму, в термодинамическом равновесии с которой находилось излучение. В 1965 году американские ученые А. Пензиас и Р.Вилсон подтвердили теорию Гамова.

Согласно  теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция Вселенной зависит от средней  плотности вещества в современной  Вселенной.

В 1981 Алан Гут и Андрей Линде предложили Инфляцио́нную моде́ль Вселе́нной — гипотезу о физическом состоянии  и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при  температуре выше 1028 K). В ней предполагается период ускоренного расширения, по сравнению со стандартной моделью  горячей однородной и изотропной Вселенной.

30 июня 2001года на орбиту спутника  Земли был выведен космический  аппарат WMAP,который с высокой  степенью точности измерил анизотропию  реликтового излучения, возраст  Вселенной и распределение по  массам различных видов материи.  Данные WMAP показали, что Вселенная  в основном заполнена невидимым  веществом, заполняющим межгалактическое  пространство: 4 % – обычное вещество; 23 % – так называемая тёмная материя и 73 % – ещё более таинственная тёмная энергия, вызывающая ускоренное расширение Вселенной.

Возраст Вселенной по данным WMAP 13.73 ± 0.12 миллиардов лет; отношение средней плотности  к критической: 1,02 ± 0,02 .Среди других параметров, определены: постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/с/Мпк.

Сейчас  большинство ученых-физиков придерживаются мнения, что в прошлом, 13 – 15 миллиардов лет назад Вселенная с огромной скоростью вышла из непонятного  и неизвестного нам состояния  сингулярности – то-есть теории Большого взрыва . Противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако эта гипотеза не способна построить полную космологическую картину , альтернативную теории Большого Взрыва.

В настоящее  время , подтверждается мнение астрофизиков, о бесконечности Вселенной , состоящей  из множества галактик и их скоплений:

Наблюдаемая в настоящее время область  Вселенной – Метагалактика –  не превышает 10^28 см ,для прохождения  которых свету требуется около 10 млрд. лет.

В работе "Новая модель Вселенной " Петр Успенский( 1878–1947) пишет: "Сегодня  мы можем достаточно уверенно заключить: Вопрос о природе невидимого вещества-одна из самых загадочных проблем современной  физики..."