Слайд 5Клавдий Птолемей ( 87-165 гг.)
(Κλαύδιος Πτολεμαῖος, лат. Ptolemaeus)
С 127 по
151 год жил в Александрии, где проводил астрономические наблюдения.
Автор классической античной монографии «Альмагест».
Слайд 6Геоцентрическая картина мира
Слайд 7Николай Коперник (Mikołaj Kopernik)
19 февраля 1473, Торунь — 24 мая 1543, Фромборк
De
revolutionibus orbium coelestium («Об обращении небесных сфер»).
Нюрнберг, 1543 год
Слайд 8Гелиоцентрическая картина мира
Слайд 9Ти́хо Бра́ге (Tyge Ottesen Brahe)
14 декабря 1546, Кнудструп, Дания (ныне
территория Швеции) — 24 октября 1601, Прага)
Слайд 13Иоганн Кеплер (Johannes Kepler)
27 .12.1571 года, Вайль-дер-Штадт - 15 .12.1630 года,
Регенсбург)
Слайд 14«Любезный читатель!
В этой книжке я вознамерился доказать, что всеблагой и
всемогущий Бог при сотворении нашего движущегося мира и при расположении небесных орбит избрал за основу пять правильных тел, которые со времен Пифагора и Платона и до наших дней снискали столь громкую славу, выбрал число и пропорции небесных орбит, а также отношения между движениями выбрал в соответствии с природой правильных тел.»
Слайд 15тетраэдр (4 треугольные грани),
куб (6 граней-квадратов),
октаэдр (8 треугольных граней),
додекаэдр (12 пятиугольных граней),
икосаэдр (20 треугольных граней)
Слайд 16В 1600 году Кеплер прибывает в Прагу. Проведённые здесь 10 лет —
самый плодотворный период его жизни. В 1604 году Кеплер публикует свои наблюдения сверхновой, называемой теперь его именем.
В 1610 году Галилей сообщает Кеплеру об открытии спутников Юпитера. Кеплер встречает это сообщение недоверчиво и в полемической работе «Разговор со Звёздным вестником» приводит несколько юмористическое возражение: «непонятно, к чему быть [спутникам], если на этой планете нет никого, кто бы мог любоваться этим зрелищем»
Слайд 171 и 2 законы Кеплера
были сформулированы в 1609 году в
книге
«Новая астрономия»
(осторожности ради, он относил их только к Марсу).
Слайд 18В 1618 году Кеплер открывает третий закон:
отношение куба среднего удаления
планеты от Солнца к квадрату периода обращения её вокруг Солнца есть величина постоянная для всех планет:
a³/T² = const.
Этот результат Кеплер публикует в завершающей книге «Гармония мира»,
причём применяет его уже не только к Марсу, но и ко всем прочим планетам (включая, естественно, и Землю), а также к галилеевым спутникам.
Слайд 20 Исаак Ньютон (Sir Isaac Newton)
4 января 1643 — 31 марта 1727
Слайд 21В канун Рождества 1664 года на лондонских домах стали появляться красные
кресты — первые метки
Великой эпидемии чумы.
8 августа 1665 года занятия в Тринити-колледже были прекращены и персонал распущен до окончания эпидемии.
Но существенную часть своих научных открытий Ньютон сделал в уединении «чумных лет». Из сохранившихся заметок видно, что 23-летний Ньютон уже свободно владел базовыми методами дифференциального и интегрального исчислений, включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии было названо формулой Ньютона-Лейбница. Проведя ряд остроумных оптических экспериментов, он доказал, что белый цвет есть смесь цветов.
Но самым значительным его открытием
в эти годы стал
закон всемирного тяготения.
Слайд 2228 апреля 1686 года первый том «Математических начал» был представлен Королевскому
обществу.
Все три тома, после некоторой авторской правки, вышли в 1687 году.
Тираж (около 300 экземпляров) был распродан за 4 года — для того времени очень быстро.
Слайд 29Диаграмма
Герцшпрунга-Рессела (1910 г.)
Эйнар Херцшпрунг
(Ejnar Hertzsprung)
1873 — 1967
Генри
Рессел
(Henry Norris Russell)
1877 — 1957
Слайд 36Современные модели эволюции Вселенной базируются на принципах Общей Теории Относительности
(1915-1916 гг.)
Слайд 38Уравнения Эйнштейна не налагают никаких ограничений на используемые для описания пространства-времени
координаты.
Они ограничивают выбор лишь 6 из 10 независимых компонент симметричного метрического тензора.
Поэтому их решение неоднозначно без введения некоторых ограничений на компоненты метрики, соответствующих однозначному заданию координат в рассматриваемой области пространства-времени, и называемых
координатными условиями.
Слайд 39Решая уравнения Эйнштейна совместно с правильно подобранными координатными условиями, можно найти
все 10 независимых компонент симметричного метрического тензора.
Этот метрический тензор (метрика) описывает свойства пространства-времени в данной точке и используется для описания результатов физических экспериментов.
Он позволяет задать квадрат интервала в искривлённом пространстве
Слайд 41Траектория тела в гравитационном поле
Слайд 42В наиболее простом случае пустого пространства
(тензор энергии-импульса равен нулю)
одно
из решений уравнений Эйнштейна описывается
метрикой Минковского
Специальной Теории Относительности
Слайд 43Первую попытку описания Вселенной на основе ОТО предпринял сам Эйнштейн в
1917 г.
Он считал, что безграничная Вселенная замкнута на себя, пространственно конечна
и стационарна во времени.
Её радиус кривизны не должен меняться.
Однако, при решении мировых уравнений не удается получить устойчивую стационарную модель мира.
Слайд 45А.Эйнштейн: Замечание к работе А. Фридмана "О кривизне пространства"
Результаты относительно
нестационарного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными.
В действительности оказывается, что указанное в ней решение не удовлетворяет уравнениям поля <...> значение этой работы в том и состоит, что она доказывает
постоянство радиуса мира во времени.
18 сентября 1922 г.
Слайд 47А.Эйнштейн: К работе А.Фридмана "О кривизне пространства"
В предыдущей заметке я
подверг критике названную выше работу.
Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибке в вычислениях.
Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет.
Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) решения для структуры пространства.
31 мая 1923 г.
Слайд 48Эйнштейн ввёл в уравнения дополнительный "космологический член" Л (ламбда).
Эта постоянная
величина имела необычный физический смысл
силы отталкивания,
призванной уравновесить взаимное тяготение масс Вселенной.
Для её введения у Эйнштейна не было достаточных оснований.
Слайд 54Теория Большого взрыва
Теорию, созданную Г. Гамовым часто называют теорией "Большого Взрыва".
В 50-х годах нашего века он предложил идею горячей Вселенной, применив в космологии идеи ядерной физики и термодинамики.
В горячем и плотном веществе ранней Вселенной должны были происходить термоядерные реакции, которые приводят к наблюдаемому обилию химических элементов.
Слайд 55Стандартная космологическая модель
Слайд 56Краткая хронология
10-43с - гравитационное взаимодействие отделилось от остальных (электромагнитное, слабое взаимодействие
и сильное взаимодействие уже появились раньше)
10-35 - быстрое расширяться (инфляция). После этого этапа Вселенная представляла собой плазму.
Образуются первые частицы, нейтроны и протоны.
Образуются простейшие атомы (дейтерий, изотопы гелия и пр.)
Гравитация становится доминирующей силой.
Через 400 тысяч лет после Большого Взрыва начинают образовываться атомы водорода.
Слайд 57Обнаружение реликтового излучения.
А. Пензиас и Р. Уилсон, 1965 г.
Спектр реликтового
излучения соответствует спектру равновесного излучения абсолютно чёрного тела. Температура реликтового излучения составляет 2.725 ± 0.002 K.
Слайд 58Модель В. Де Ситтера. Раздувающаяся Вселенная.
Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де
Ситтера утверждает, что при
t = 0 вся энергия мира была заключена в вакууме (ложный вакуум).
Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10-35 с. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным.
Слайд 59Модель В. Де Ситтера. Раздувающаяся Вселенная.
При переходе вакуума в другое состояние
мгновенно выделилась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10-32 с пространство раздулось в громадный шар с размерами много большими видимой нами части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.
Проблемой является объяснение причины того первотолчка, который был началом расширений нашей Вселенной.
Слайд 61Варианты эволюции Вселенной
a(t) – масштабный фактор. Графики показывают относительное изменение расстояний
для любой галактики. Первые миллиарды лет галактики замедляли свое движение (с одинаковой 2-ой производной - для каждой модели - своей).
Нижняя кривая это модель Фридмана замкнутой Вселенной.
2-й и 3-й график для плоской и открытой Вселенной Фридмана.
4-й график - это современная модель нашей Вселенной с Темной Энергией. Он показывает, что первые 6-7млрд. лет галактики замедляли свое движение, далее вышли на равномерное, а затем ускоренное движение.
Слайд 63Проблема плоской Вселенной
Почему плотность материи во Вселенной столь близка к неустойчивой
критической величине между бесконечным расширением и повторным сжатием в Большом хрусте?
Проблема горизонта
Почему Вселенная выглядит одинаковой во всех направлениях, хотя она возникла в виде причинно несвязанных областей? Эта проблема наиболее остра для очень гладкого космического микроволнового фонового излучения.
Проблема экзотических реликтов
Фазовые переходы в ранней Вселенной неизбежно должны рождать топологические дефекты, такие как монополи, и экзотические частицы. Почему мы не наблюдаем их сегодня?
Проблемы…
Слайд 64Проблема термического равновесия
Почему Вселенная возникла в состоянии термического равновесия, если не
существует механизма для подержания такого равновесия при очень высоких температурах.
Проблема временной шкалы
Согласуются ли независимые измерения возраста Вселенной с использованием постоянной Хаббла со временем жизни звезд?
Проблема сингулярности
Космологическая сингулярность при t=0 является состоянием с бесконечной плотностью энергии, поэтому Общая теория относительности предсказывает её распад.
Проблемы…
Слайд 65Инфляционная модель.
Алан Гут постарался связать основные проблемы с существованием пятой силы
или скалярным полем.
Предположение состояло в том, что в природе наряду с гравитационным, электрическим, ядерным и слабым взаимодействиями должен быть еще один тип взаимодействия, описываемый скалярным потенциалом.
Скалярное поле в определенных условиях обладает свойствами антигравитации и именно на ранних этапах, через несколько планковских времен после появления Вселенной, оно обладает отрицательным давлением и «разгоняет» расширение Вселенной (инфляционная фаза расширения Вселенной).
Затем, вследствие фазового перехода, появляются обычные поля и частицы, а расширение замедляется, и Вселенная становится фридмановской.
Слайд 66Инфляция. (А. Старобинский, А. Гут. 1979 г.)
Слайд 67Проблема флуктуаций плотности
Возмущения, повлекшие гравитационные уплотнения, приведшие к формированию галактик, должны
иметь изначальное происхождение; откуда они взялись?
Проблема космологической постоянной
Почему космологическая постоянная на 120 порядков величины меньше, чем ожидается из теории квантовой гравитации?
Проблема темной материи
Из какого вещества состоит в основном Вселенная? Расчеты нуклеосинтеза показывают, что темная материя Вселенной не состоит из обычной материи - нейтронов и протонов?
Проблемы…
Слайд 68Динамика структурирования вещества Вселенной
Слайд 69Распределение плотности вещества на больших масштабах (компьютерная модель)
Слайд 71Пространственно-временная пена
Вселенная рождается из квантовых флуктуаций высокоэнергетического физического вакуума.
Пузырьки физического вакуума
то и дело возникают и лопаются, достигнув так называемого планковского размера в 10-33 см.
Топологические свойства разных пузырьков могут сильно различаться.
Внутри них могут быть различны свойства пространства-времени.
Например, пространственная размерность может отличаться от трех, а временная — от единицы. Аналогичная несхожесть может проявляться и в свойствах материи.
Слайд 73Современное представление о соотношении
вещества и энергии Вселенной
ЛямбдаCDM
Слайд 74Модель Лямбда-CDM
ΛCDM —стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо
обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 13,75 ± 0,11 млрд лет.
Слайд 75И что же это такое?
Тёмная материя - гипотетическая форма материи, которая не
испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним.
Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.
Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.
Обнаружение тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально быстрой скорости вращения внешних областей галактик.
Слайд 76Тёмная энергия — феномен, проявляющийся в обнаруженном нарушении закона Хаббла: Вселенная
расширяется с ускорением.
Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию.
Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая константа, иногда называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности). Введение космологической константы в стандартную космологическую модель, основанную на метрике Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель.
Слайд 77Альтернативный подход исходит из предположения,
что тёмная энергия — это своего
рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией.
Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень легкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.
Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя.
Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы.
Слайд 78Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при
этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.
В некоторых моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения.
После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной.
Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.
Слайд 82Термин «квазар» образован от слов quasistellar и radiosource, что означает «похожий
на звезду радиоисточник».
Это самые яркие объекты нашей Вселенной, имеющие очень сильное красное смещение. Предполагается, что это активные ядра рождающихся галактик.
Слайд 84Квазар, получивший обозначение
ULAS J112001.48+064124.3,
располагается на расстоянии около 13 миллиардов
световых лет от Земли (предыдущий рекордсмен - квазар CFHQS J2329-0301 - располагается на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от Земли). Таким образом, электромагнитное излучение, которое зарегистрировали ученые, начало свой путь, когда Вселенной было 770 миллионов лет.
Слайд 85Масса квазара оценивается около двух миллиардов солнечных,
а светимость - 63
триллиона солнечных.
Этот квазар стал первым, обнаруженным при помощи наблюдений в инфракрасном диапазоне - до него подобные объекты искали при помощи оптических телескопов.
Слайд 88Масса квазара оценивается около двух миллиардов солнечных,
а светимость - 63
триллиона солнечных.
Этот квазар стал первым, обнаруженным при помощи наблюдений в инфракрасном диапазоне - до него подобные объекты искали при помощи оптических телескопов.
Слайд 90Экзотика
(И. Д. Новиков, К. Торн)
Слайд 91Возможно, скоро будут найдены принципиально новые подходы к описанию того, что
мы видим…
Возможно, что статья с этими новыми идеями уже поступила в редакцию какого-нибудь научного издания.
Подобно тому, как в 1905 году в редакцию журнала “Annalen der Physik” поступила статья молодого служащего патентного бюро…
Слайд 93Пульсар — космический источник
радио- (радиопульсар),
оптического (оптический пульсар), рентгеновского (рентгеновский
пульсар) и/или гамма- (гамма-пульсар) излучений,
приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).
Слайд 94Первый пульсар был открыт
в июле 1967 года
аспиранткой Джоселин Белл
на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета, на длине волны 3,5 м.
Слайд 95Согласно доминирующей
астрофизической модели,
пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды
с
магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения.
Слайд 97Изображение Крабовидной туманности в условных цветах
(синий — рентгеновский, красный —
оптический диапазон).
В центре туманности — пульсар
Слайд 98Обычный пульсар совершает оборот
за время от нескольких секунд
до нескольких
десятых долей секунды,
а рентгеновские пульсары делают сотни оборотов в секунду.
Слайд 100https://yandex.ru/video/search?text=%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%B0%D1%80&path=wizard&noreask=1&filmId=973881563083403448
https://yandex.ru/video/search?text=%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%B0%D1%80&path=wizard&noreask=1&filmId=973881563083403448
Слайд 101Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer und zunehmender Bewunderung
und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: Der bestirnte Himmel über mir,
und
das moralische Gesetz in mir.
Иммануил Кант
… звездное небо надо мной и нравственный закон во мне..