Читать онлайн «Физическая космология учебное пособие для студентов высших учебных заведений по направлению "Прикладные математика и физика"»

В. Н. ЛУКАШ Е. В. МИХЕЕВА ФИЗИЧЕСКАЯ КОСМОЛОГИЯ Введение Слово «космология» в буквальном переводе означает «наука о Вселенной». Из этого определения следует, что все естественные науки, которые изучают строение окружающего мира, по сути являются разделами космологии. На практике это не совсем так. Космология изучает структуру и эволюцию Вселенной, то есть устройство мира в больших масштабах. Экспериментальной базой для нее служат наблюдения (на телескопах) во многих информационных каналах: не только электромагнитном — от радио- до гамма-диапазона, но также и тех, что дают нам приемники гравитационных волн, нейтрино, космических лучей и пр. Широко применяется численное моделирование. Таким образом, космология — это физическая наука, опирающаяся на астрономические данные. Устройство и происхождение окружающего мира всегда волновало человека. Осознание своего места в меняющемся мире превратило его из члена стада в исследователя, раздвигающего границы познания. Космология — самая мировоззренческая из всех естественных наук. Долгое время являясь лишь проявлением общих философских представлений о природе, она получила строгое научное обоснование и возможность последовательной физической экстраполяции только в начале XX века — с появлением общей теории относительности (ОТО). К началу XXI века на основе ОТО была создана космологическая стандартная модель (КСМ), объясняющая всю совокупность имеющихся наблюдательных и экспериментальных данных. Любая физическая наука опирается на эксперимент. Очевидно, все эксперименты по проверке ОТО тестируют и фундамент космологии. Однако, основываясь на ОТО, космология к ней не сводится. Громадный прогресс в этой науке был бы немыслим без освоения передовых наблюдательных технологий, развития космических исследований, создания новых методов обработки данных и численного моделирования. Эти два мощных рычага — дееспособная теория и своевременная и достаточная экспериментальная база — выдвинули космологию в ряд передовых наук и обеспечили прорыв в наших знаниях как о физике Введение современного макромира, так и о ранней Вселенной, где космология стыкуется с физикой микромира и высоких энергий. О плодотворном взаимодействии космологической теории и наблюдений можно судить уже по тому, как часто экспериментальные открытия подтверждали известные ранее теоретические результаты и предсказания. Так, исследование уравнений Эйнштейна привело А. А. Фридмана в 1922 году к созданию космологической модели, которую сегодня мы называем фрид- мановской моделью (в англоязычной литературе за ней закрепилось более пространное имя — модель Фридмана-Робертсона- Уокера); в ней гравитирующая материя распределена однородно и изотропно и динамика ее разлета описывается эволюцией масштабного фактора a(t). Спустя два года после публикации статьи А. А. Фридмана Э. Хаббл, исследуя движение ближайших галактик, получил соотношение V = Яг, которое связывает скорость удаления галактики V с расстоянием до нее г. Существование хаббловского потока материи с коэффициентом Н, не зависящим от г, является экспериментальным подтверждением фридмановской модели с масштабным фактором а = ехр(|Яdt).