Космологічна модель спостережувального всесвіту – проблема сучасної фізики

Прагнення представити структуру всього навколишнього світу завжди було однією з насущних потреб людства, що розвивається. «який влаштований світ? Чому існує? Звідки узявся?» Їх задавали собі люди і тоді, коли справжньої науки ще не було, і потім, коли знання, що зароджується і набирає силу, почало свій нескінченний рух у відшуканні істини.

На кожному історичному етапі у людей були різні уявлення про модель Всесвіту. Ці уявлення відображали той рівень знань і досвід вивчення природи, який досягався на відповідному етапі розвитку суспільства. У міру того як розширилися просторові (і тимчасові) масштаби пізнаної людиною частини Вселенною, мінялися і космологічні уявлення.

Першою космологічною моделлю, що має математичне обґрунтовування, можна вважати геоцентричну систему світу К. Птолемея (II вік н. э.). В системі Птолемея в центрі Всесвіту була нерухома куляста Земля, а навкруги неї обертався Місяць, Сонце, планети, рухомі складною системою кіл — «епіциклів» і «диферентів», і, нарешті, все це було укладено в сферу нерухомих зірок. Тобто, система претендувала на опис всього матеріального світу, отже, була саме космологічною. Система світу Птолемея панувала в науці близько 1,5 тисяч років. Потім її змінила геліоцентрична система світу Н. Коперника (XVI вік і. е.).

Революція, спричинена в науці навчанням Коперника, пов'язана в першу чергу з тим, що наша Земля була визнана рядовою планетою. Зникло всяке зіставлення «земного» і «небесного». Система Коперника також вважалася системою «всього світу». В центрі світу було Сонце, навкруги якого оберталися планети. Все це охоплювала сфера нерухомих зірок.
Як ми знаємо тепер, насправді система Коперника була зовсім не «системою світу», а схемою будови Сонячної системи, і в цьому значенні була правильною.

Надалі незвичайне розширення масштабів дослідженого світу завдяки винаходу і вдосконаленню телескопів привело до уявлення про зоряний Всесвіт. Нарешті, на початку XX століття виникло уявлення про Всесвіт як про світ галактик (метагалактики). При розгляді цього історичного ланцюжка змін космологічних уявлень ясно простежується наступний факт. Кожна «система світу» по суті була моделлю найбільшої достатньо добре вивченої на той час системи небесних тіл. Але кожна з цих моделей претендувала свого часу на опис будови «всього Всесвіту». Ця ж тенденція на новому рівні простежується і в розвитку сучасної космології в XX столітті.

Побудувати модель Всесвіту – означає, знайти рівняння, яким підкоряються параметри, що характеризують властивості Всесвіту, а потім вирішити їх. Коли ми говоримо про Всесвіт, нас в першу чергу цікавить рух речовини та її розподіл в найбільших масштабах. Значить, нам належить побудувати математичну модель, що описує розподіл речовини в просторі і його рух. Всесвіт однорідний й ізотропний. Рух речовини в космічних масштабах визначає в першу чергу, сили всесвітньою тяжіння (гравітації).

Отже, для побудови моделі Всесвіту необхідно скористатися рівняннями тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння був встановлений І. Ньютоном. Його справедливість підтверджувалася протягом століть найрізноманітнішими астрономічними поглядами і лабораторними експериментами. Проте А. Ейнштейн показав, що закон тяжіння Ньютона справедливий лише в порівняно слабких полях тяжіння. Для сильних полів необхідно застосовувати релятивістську теорію гравітації — загальну теорію відносності. Якщо поле тяжіння розганяє падаючі в ньому тіла до швидкостей, близьких до швидкості світла, то це сильне поле.

Останні наукові дані про формування велико­масштабної структури Всесвіту (ВСВ) та її еле­ментів становлять центральну проблему сучас­ної космології. Її досліджують багато українських науковців, серед яких Богдан Степанович Новосядлий. До елементів ВСВ належать галактики, скупчення та надскупчення галактик, порожни­ни в їх розподілі й хмари нейтрального водню у міжгалактичному середовищі [Ly_s-xмари). Вони утворюються зі збурень густини та швидкості речовини, згенерованих у ранньому Всесвіті. Ці ж збурення, віднесені до епохи космологічної ре­комбінації, зумовлюють спостережувані флуктуа­ції температури реліктового випромінювання.

Формування великомасштабної структури Всесвіту - це комплекс задач, які пов’язані з фізичними процесами на всіх етапах еволюції: від квантових флуктуацій у ранньому Всесвіті до утворення галактик, квазарів і зір. Окреслено коло нерозв’язаних проблем, серед яких - при­рода частинок темної матерії, природа й вла­стивості темної енергії, локалізація не спостережуваної основної частини баріонної речовини, формування та еволюція перших зір, галактик і квазарів, тестування моделі інфляційної стадії. Ці та інші нерозв’язані проблеми сучасної космо­логії сходяться до проблеми побудови узгодженої космологічної моделі та сценарію формування структури. Тобто такої моделі, яка якісно і кіль­кісно узгоджувалась би з усією сукупністю су­часних спостережуваних даних.

Характеристиками великомасштабної струк­тури є просторові (дво- і триточкові) кореляційні функції галактик та багатих скупчень галак­тик, їхні пекулярні швидкості, функція мас та рентгенівської температури скупчень галактик, розподіли об’єктів за червоними зміщеннями. Значення цих величин залежать від спектра потужності скалярних збурень густини речови­ни на лінійній стадії розвитку, який називають початковим спектром збурень. Його форма (за­лежність амплітуди від масштабу) на великих масштабах (більших за масштаб горизонту ча­стинки на момент рекомбінації) збігається з фор­мою первісного спектра, що був згенерований у ранню епоху в результаті квантових флуктуацій метрики простору - часу. На менших масштабах вона залежить від значень параметрів космоло­гічної моделі та співвідношень істин компонент речовини та енергії, що заповнюють Всесвіт.

Упродовж останніх десяти років XX і перших п’ятнадцяти XXI ст. отримано важливі експери­ментальні результати, що стали визначальними для сучасної космології.

Сьогодні можна достатньо упевнено сказати: Всесвіт в основному заповнений невидимою речовиною. Воно утворює протяжність галактик і заповнює міжгалактичний простір, концентруючись в скупченнях галактик.

Отже, спроби розібратися, з чого ж складається Всесвіт, привели у наш час до вельми цікавої ситуації. На початку ХХI сторіччя виявляється, що всі астрономічні об'єкти, що вивчалися до тепер, складають лише незначну частку космічної речовини. Це справжній виклик людському знанню. Залишається сподіватися, що новітні методи астрономії, такі, як метод гравітаційного мікролінзування, дозволять в майбутньому пролити світло на захоплюючу і загадкову проблему невидимої речовини в нашій Галактиці і у Всесвіті.

Список використаних джерел

1. Рузавин Г.І. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник. / Г.І. Рузавин. - М.: Гардаріки, 2005.

2. http://bukvar.su/nauka-i-tehnika/108705-Kosmologicheskie-modeli-vselennoiy.html

3. http://milogiya.stroy-dom.org/konzepziya6.htm

4. http://cozap.com.ua/text/8246/index-1.html?page=17

 

Банак В.Д.,