Космология - Cosmology

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Hubble Deep Field экстремального (XDF) был завершен в сентябре 2012 года и показывает самые дальние галактики когда - либо фотографировали. За исключением нескольких звезд на переднем плане (которые яркие и легко узнаваемые, потому что только у них есть дифракционные выступы ), каждое пятнышко на фотографии - это отдельная галактика, возраст некоторых из них составляет 13,2 миллиарда лет; наблюдаемая Вселенная, по оценкам, содержит более 2 триллионов галактик.

Космология (от греческого κόσμος, kosmos «мир» и -λογία, -logia «изучение») - это отрасль астрономии, занимающаяся изучением происхождения и эволюции Вселенной от Большого взрыва до сегодняшнего дня и в будущем. . Это научное исследование о происхождении, эволюции, и в конечном итоге судьба этого Вселенной . Физическая космология - это научное исследование происхождения Вселенной, ее крупномасштабных структур и динамики, ее конечной судьбы , а также законов науки , регулирующих эти области.

Термин космология впервые был использован на английском языке в 1656 году в « Глоссографии» Томаса Блаунта , а в 1731 году был использован на латыни немецким философом Кристианом Вольфом в « Cosmologia Generalis» .

Религиозная или мифологическая космология - это совокупность верований, основанная на мифологической , религиозной и эзотерической литературе и традициях мифов о сотворении мира и эсхатологии .

Физическая космология изучается учеными, такими как астрономы и физики , а также философами , такими как метафизики , философы физики и философы пространства и времени . Из - за эту общую рамку с философией , теории в физической космологии могут включать в себя как научные и не научные положения, и могут зависеть от предположений , которые не могут быть протестированы . Космология отличается от астрономии тем, что первая занимается Вселенной в целом, а вторая - отдельными небесными объектами . В современной физической космологии доминирует теория Большого взрыва , которая пытается объединить наблюдательную астрономию и физику элементарных частиц ; более конкретно, стандартная параметризация Большого взрыва с темной материей и темной энергией , известная как модель Лямбда-CDM .

Теоретический астрофизик Дэвид Н. Спергель описал космологию как «историческую науку», потому что «когда мы смотрим в космос, мы смотрим назад во времени» из-за конечной природы скорости света .

Дисциплины

−13 -
-
−12 -
-
−11 -
-
−10 -
-
−9 -
-
−8 -
-
−7 -
-
−6 -
-
−5 -
-
−4 -
-
−3 -
-
−2 -
-
−1 -
-
0 -

Физика и астрофизика сыграли центральную роль в формировании понимания Вселенной посредством научных наблюдений и экспериментов. Физическая космология сформировалась как с помощью математики, так и с помощью наблюдений при анализе всей Вселенной. Обычно считается, что Вселенная началась с Большого взрыва , за которым почти мгновенно последовала космическая инфляция , расширение пространства, из которого, как полагают, Вселенная возникла 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад. Космогония изучает происхождение Вселенной, а космография отображает особенности Вселенной.

В Дидро «s Encyclopédie , космология разбивается на уранология (наука о небе), аэрологии (наука о воздухе), геологии (наука о материках) и гидрологии (наука о воде).

Метафизическая космология также описывается как размещение людей во вселенной во взаимосвязи со всеми другими сущностями. Примером этого является наблюдение Марка Аврелия о том, что место мужчины в этих отношениях: «Тот, кто не знает, что такое мир, не знает, где он находится, и тот, кто не знает, для какой цели существует мир, не знает кто он и что такое мир ".

Открытия

Физическая космология

Физическая космология - это раздел физики и астрофизики, который занимается изучением физического происхождения и эволюции Вселенной. Он также включает изучение природы Вселенной в больших масштабах. В своей самой ранней форме это было то, что сейчас известно как « небесная механика », изучение небес . Греческие философы Аристарх Самосский , Аристотель и Птолемей предложили различные космологические теории. Геоцентрическая система Птолемея была преобладающая теория до 16 - го века , когда Коперник , а затем Иоганна Кеплера и Галилео Галилей предложил гелиоцентрическую систему. Это один из самых известных примеров эпистемологического разрыва в физической космологии.

« Основы математики» Исаака Ньютона , опубликованные в 1687 году, были первым описанием закона всемирного тяготения . Это обеспечило физический механизм для законов Кеплера, а также позволило разрешить аномалии в предыдущих системах, вызванные гравитационным взаимодействием между планетами. Фундаментальным отличием космологии Ньютона от предшествующих ей был принцип Коперника - тела на Земле подчиняются тем же физическим законам, что и все небесные тела. Это был решающий философский прорыв в физической космологии.

Считается, что современная научная космология началась в 1917 году с публикации Альбертом Эйнштейном своей последней модификации общей теории относительности в статье «Космологические соображения общей теории относительности» (хотя эта статья не была широко доступна за пределами Германии до конец Первой мировой войны ). Общая теория относительности побудила таких космогонистов , как Виллем де Ситтер , Карл Шварцшильд и Артур Эддингтон, изучить ее астрономические разветвления, что расширило возможности астрономов изучать очень далекие объекты. Физики начали менять представление о том, что Вселенная статична и неизменна. В 1922 году Александр Фридман представил идею расширяющейся Вселенной, содержащей движущееся вещество. Примерно в то же время (с 1917 по 1922 год) произошли Великие дебаты , в ходе которых ранние космологи, такие как Хебер Кертис и Эрнст Эпик, определили, что некоторые туманности, видимые в телескопы, были отдельными галактиками, далекими от нашей собственной.

Параллельно с этим динамичным подходом к космологии, одна давняя дискуссия о структуре космоса приближалась к кульминации. Астроном с горы Вильсон Харлоу Шепли отстаивал модель космоса, состоящего только из звездной системы Млечного Пути ; в то время как Хибер Д. Кертис отстаивал идею о том, что спиральные туманности являются звездными системами сами по себе как островные вселенные. Это расхождение во взглядах достигло апогея с организацией Великой дискуссии 26 апреля 1920 г. на заседании Национальной академии наук США в Вашингтоне, округ Колумбия . Дебаты разрешились, когда Эдвин Хаббл обнаружил переменные цефеид в галактике Андромеды в 1923 г. 1924. На их расстоянии образовались спиральные туманности далеко за пределами Млечного Пути.

Последующее моделирование Вселенной исследовало возможность того, что космологическая постоянная , введенная Эйнштейном в его статье 1917 года, может привести к расширению Вселенной , в зависимости от ее значения. Таким образом, Big Bang модель была предложена бельгийский священник Жорж Леметр в 1927 году , который впоследствии был подтвержден Эдвина Хаббла открытия «S от красного смещения в 1929 году , а позднее открытие космического микроволнового фонового излучения по Arno Пензиасом и Роберт Вудро Вильсон в 1964 году Эти открытия были первым шагом к исключению некоторых из многих альтернативных космологий .

Примерно с 1990 года несколько драматических достижений в наблюдательной космологии превратили космологию из в значительной степени умозрительной науки в науку предсказания с точным согласием между теорией и наблюдением. Эти достижения включают наблюдения микроволнового фона со спутников COBE , WMAP и Planck , большие обзоры красного смещения галактик, включая 2dfGRS и SDSS , а также наблюдения далеких сверхновых и гравитационного линзирования . Эти наблюдения совпали с предсказаниями теории космической инфляции , модифицированной теории Большого взрыва и конкретной версии, известной как модель Лямбда-CDM . Это привело к тому, что многие стали называть современность «золотым веком космологии».

17 марта 2014 года астрономы из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили об обнаружении гравитационных волн , предоставив убедительные доказательства инфляции и Большого взрыва . Однако 19 июня 2014 года было сообщено о снижении уверенности в подтверждении результатов космической инфляции .

С 1 декабря 2014 года на Planck 2014 встречи в Ферраре , Италия , астрономы сообщили о том , что Вселенная является 13,8 миллиарда лет и состоит из 4,9% атомарного вещества , 26,6% темной материи и 68,5% энергии темной .

Религиозная или мифологическая космология

Религиозная или мифологическая космология - это совокупность верований, основанных на мифологической , религиозной и эзотерической литературе, а также традициях творчества и эсхатологии .

Философская космология

Представление наблюдаемой Вселенной в логарифмическом масштабе.

Космология рассматривает мир как совокупность пространства, времени и всех явлений. Исторически оно имело довольно широкий размах, и во многих случаях его можно было найти в религии. В современном использовании метафизическая космология обращается к вопросам о Вселенной, которые выходят за рамки науки. Она отличается от религиозной космологии тем, что подходит к этим вопросам, используя такие философские методы, как диалектика . Современная метафизическая космология пытается ответить на такие вопросы, как:

Исторические космологии

Имя Автор и дата Классификация Замечания
Индуистская космология Ригведа (ок. 1700–1100 до н. Э.) Циклический или колеблющийся, Бесконечный во времени Primal материи остается манифесте 311,04 триллионов лет и непроявленной для одинаковой длины. Вселенная остается проявленной 4,32 миллиарда лет и непроявленной столько же. Бесчисленные вселенные существуют одновременно. Эти циклы были и будут длиться вечно, движимые желаниями.
Джайнская космология Джайнские агамы (написаны около 500 г. н.э. в соответствии с учением Махавиры 599–527 гг. До н.э.) Циклический или колеблющийся, вечный и конечный Джайнская космология рассматривает лока , или вселенную, как несотворенное существо, существующее с бесконечности, форма вселенной подобна человеку, стоящему с расставленными ногами и опирающимся на талию рукой. Эта Вселенная, согласно джайнизму , широкая вверху, узкая в середине и снова становится широкой внизу.
Вавилонская космология Вавилонская литература (ок. 2300–500 до н. Э.) Плоская земля плывет в бесконечных "водах хаоса" Земля и Небеса образуют единое целое в бесконечных «водах хаоса»; Земля плоская и круглая, а сплошной купол («небосвод») защищает от внешнего «хаоса» - океана.
Элейская космология Парменид (ок. 515 г. до н. Э.) Конечная и сферическая по протяженности Вселенная неизменна, единообразна, совершенна, необходима, вневременна, не порождена и не вечна. Пустота невозможна. Множественность и изменения - продукты эпистемического невежества, порожденные чувственным опытом. Временные и пространственные ограничения произвольны и относятся к парменидовому целому.
Библейская космология Рассказ о сотворении Бытия Земля плывет в бесконечных «водах хаоса» Земля и Небеса образуют единое целое в бесконечных «водах хаоса»; « небосвод » удерживает внешний «хаос» - океан.
Вселенная атомиста Анаксагор (500–428 гг. До н.э.) и позже Эпикур Бесконечная протяженность Вселенная содержит только две вещи: бесконечное количество крошечных семян ( атомов ) и бесконечную пустоту. Все атомы состоят из одного и того же вещества, но различаются по размеру и форме. Объекты образуются из скоплений атомов и снова распадаются на атомы. Включает принцип причинности Левкиппа : «ничего не происходит случайно; все происходит по причине и необходимости». Вселенной не правили боги .
Пифагорейская вселенная Филолай (ум. 390 до н. Э.) Существование «Центрального огня» в центре Вселенной. В центре Вселенной находится центральный огонь, вокруг которого равномерно вращаются Земля, Солнце, Луна и планеты . Солнце обращается вокруг центрального огня раз в год, звезды неподвижны. Земля в своем движении сохраняет то же скрытое лицо к центральному огню, поэтому ее никогда не видно. Первая известная негеоцентрическая модель Вселенной.
Де Мундо Псевдо-Аристотель (ум. 250 г. до н.э. или между 350 и 200 г. до н.э.) Таким образом, Вселенная представляет собой систему, состоящую из неба и земли и содержащихся в них элементов. Есть «пять элементов, расположенных в сферах в пяти областях, причем меньший в каждом случае окружен большим, а именно: земля, окруженная водой, вода - воздухом, воздух - огнем и огонь - эфиром, - составляют всю Вселенную. "
Стоическая вселенная Стоики (300 г. до н.э. - 200 г. н.э.) Остров вселенная В космос конечен и окружен бесконечной пустоте. Он находится в постоянном движении, пульсирует в размерах и подвергается периодическим потрясениям и пожарам.
Аристотелевская вселенная Аристотель (384–322 до н. Э.) Геоцентрический , статический, устойчивое состояние, конечная протяженность, бесконечное время Сферическая Земля окружена концентрическими небесными сферами . Вселенная существует в неизменном виде на протяжении вечности. Содержит пятый элемент, называемый эфиром , который был добавлен к четырем классическим элементам .
Аристархейская вселенная Аристарх (около 280 г. до н.э.) Гелиоцентрический Земля ежедневно вращается вокруг своей оси и ежегодно обращается вокруг Солнца по круговой орбите. Сфера неподвижных звезд сосредоточена вокруг Солнца.
Модель Птолемея Птолемей (2 век нашей эры) Геоцентрический (на основе аристотелевской вселенной) Вселенная вращается вокруг неподвижной Земли. Планеты движутся по круговым эпициклам , каждый из которых имеет центр, который перемещается по большей круговой орбите (называемой эксцентрической или отклоняющейся) вокруг центральной точки около Земли. Использование эквантов добавило еще один уровень сложности и позволило астрономам предсказывать положение планет. Самая успешная модель вселенной всех времен, основанная на критерии долголетия. Альмагест (Великая Система).
Модель Арьябхатана Арьябхата (499) Геоцентрический или гелиоцентрический В вращается Земля и планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг либо Земли или Солнца; не уверены, является ли модель геоцентрической или гелиоцентрической из-за планетных орбит, заданных относительно Земли и Солнца.
Средневековая вселенная Средневековые философы (500–1200) Конечное время Вселенная, конечная во времени и имеющая начало, была предложена христианским философом Иоанном Филопоном , который выступает против древнегреческого представления о бесконечном прошлом. Логические аргументы в пользу конечной вселенной разработаны ранним мусульманским философом Аль-Кинди , еврейским философом Саадией Гаоном и мусульманским теологом Аль-Газали .
Мультивселенная космология Фахр ад-Дин ар-Рази (1149–1209) Мультивселенная , множественные миры и вселенные За пределами известного мира существует бесконечное внешнее пространство, и Бог имеет власть заполнить вакуум бесконечным количеством вселенных.
Модели мараги Школа Марага (1259–1528) Геоцентрический Различные модификации модели Птолемеевой и Аристотелевской вселенной, в том числе отказ от экванта и эксцентриков на Maragheh обсерватории , а также введение Туси-пара по Аль-Туси . Альтернативные модели позже предложил, в том числе первой точной лунной модели по Ибн аль-Шатыр , модель отвергающего стационарной Земли в пользу вращения Земли по Али Kuşçu и планетарной модели , включающей «круговой инерции » по Аль Бирджанди .
Модель Нилакантана Нилаканта Сомаяджи ( 1444–1544 ) Геоцентрический и гелиоцентрический Вселенная, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, которое вращается вокруг Земли; похож на более позднюю систему Tychonic
Вселенная Коперника Николай Коперник (1473–1543) Гелиоцентрический с круговыми планетными орбитами Впервые описан у De Revolutionibus orbium coelestium .
Тихоническая система Тихо Браге (1546–1601) Геоцентрический и гелиоцентрический Вселенная, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а Солнце вращается вокруг Земли, аналогично более ранней модели Нилакантана .
Космология Бруно Джордано Бруно (1548–1600) Бесконечная протяженность, бесконечное время, однородная, изотропная, неиерархическая Отвергает идею иерархической вселенной. Земля и Солнце не имеют особых свойств по сравнению с другими небесными телами. Пустота между звездами заполнена эфиром , а материя состоит из тех же четырех элементов (воды, земли, огня и воздуха) и является атомистической, анимистической и разумной.
Кеплеровский Иоганн Кеплер (1571–1630) Гелиоцентрический с эллиптическими планетными орбитами Открытия Кеплера, объединяющие математику и физику, послужили основой для нашей нынешней концепции Солнечной системы, но далекие звезды все еще рассматривались как объекты в тонкой неподвижной небесной сфере.
Статический Ньютон Исаак Ньютон (1642–1727) Статический (развивающийся), устойчивый, бесконечный Каждая частица во Вселенной притягивает каждую другую частицу. Материя в больших масштабах распределена равномерно. Гравитационно сбалансированный, но нестабильный.
Декартова Вселенная Вихря Рене Декарт , 17 век Статический (развивающийся), устойчивый, бесконечный Система огромных кружащихся водоворотов эфира или тонкой материи производит то, что мы бы назвали гравитационными эффектами. Но его вакуум не был пустым; все пространство было заполнено материей.
Иерархическая вселенная Иммануил Кант , Иоганн Ламберт , 18 век Статический (развивающийся), устойчивый, бесконечный Материя сгруппирована на все более крупных уровнях иерархии. Материя бесконечно перерабатывается.
Вселенная Эйнштейна с космологической постоянной Альберт Эйнштейн , 1917 год. Статический (номинально). Ограниченный (конечный) «Материя без движения». Содержит равномерно распределенное вещество. Равномерно искривленное сферическое пространство; на основе гиперсферы Римана . Кривизна принимается равной Λ. Фактически Λ эквивалентно силе отталкивания, которая противодействует гравитации. Нестабильно.
Вселенная Де Ситтера Виллем де Ситтер , 1917 г. Расширение плоского пространства .

Устойчивое состояние. Λ> 0

«Движение без материи». Только внешне статичный. На основе общей теории относительности Эйнштейна . Пространство расширяется с постоянным ускорением . Коэффициент масштабирования увеличивается экспоненциально (постоянная инфляция ).
Вселенная Макмиллана Уильям Дункан Макмиллан 1920-е годы Статическое и устойчивое состояние Новая материя создается из излучения ; звездный свет постоянно перерабатывается в новые частицы материи.
Вселенная Фридмана , сферическое пространство Александр Фридман 1922 Сферическое расширяющееся пространство.

к = +1; нет Λ

Положительная кривизна. Постоянная кривизны k = +1

Расширяется, затем снова сжимается . Пространственно замкнутый (конечный).

Вселенная Фридмана , гиперболическое пространство Александр Фридман , 1924 г. Гиперболическое расширяющееся пространство.

к = -1; нет Λ

Отрицательная кривизна . Считается бесконечным (но неоднозначным). Безграничный. Расширяется навсегда.
Гипотеза больших чисел Дирака Поль Дирак 1930-е годы Расширение Требует большого изменения G , которое со временем уменьшается. Гравитация ослабевает по мере развития Вселенной.
Нулевая кривизна Фридмана Эйнштейн и де Ситтер, 1932 г. Расширение плоского пространства

k = 0; Λ = 0 Критическая плотность

Константа кривизны k = 0. Говорят, что она бесконечна (но неоднозначна). «Безграничный космос ограниченного размера». Расширяется навсегда. «Самая простая» из всех известных вселенных. Назван в честь Фридмана, но не рассматривается им. Имеет член замедления q = 1/2, что означает, что скорость его расширения замедляется.
Оригинальный Большой взрыв (Фридман-Лемэтр) Жорж Лемэтр 1927–29 Расширение

Λ> 0; Λ> | Гравитация |

Λ положительно и имеет величину больше силы тяжести. Вселенная имеет начальное состояние с высокой плотностью («первобытный атом»). Далее следует двухступенчатое расширение. Λ используется для дестабилизации Вселенной. (Лемэтр считается отцом модели Большого взрыва.)
Колеблющаяся Вселенная (Фридман-Эйнштейн) Избранник Фридмана , 1920-е гг. Расширение и сокращение по циклам Время бесконечно и безначально; таким образом избегает парадокса начала времен. Бесконечные циклы Большого взрыва, за которым следует Большой хруст. (Первый выбор Эйнштейна после того, как он отверг модель 1917 года.)
Вселенная Эддингтона Артур Эддингтон 1930 Сначала статика, затем расширяется Статическая Вселенная Эйнштейна 1917 года с ее нестабильностью, переведенной в режим расширения; с неумолимым растворением материи становится вселенной Де Ситтера. Λ доминирует над гравитацией.
Вселенная Милна кинематической теории относительности Эдвард Милн , 1933, 1935;

Уильям Х. МакКри , 1930-е годы.

Кинематическое расширение без расширения пространства Отвергает общую теорию относительности и парадигму расширяющегося пространства. Гравитация не учитывалась как исходное предположение. Подчиняется космологическому принципу и специальной теории относительности ; состоит из конечного сферического облака частиц (или галактик), которое расширяется в бесконечном или пустом плоском пространстве. У него есть центр и космический край (поверхность облака частиц), который расширяется со скоростью света. Объяснение гравитации было тщательно продуманным и неубедительным.
Класс моделей Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера. Ховард Робертсон , Артур Уокер , 1935 год. Равномерно расширяющийся Класс однородных и изотропных вселенных. Пространство-время разделяется на равномерно искривленное пространство и космическое время, общее для всех сопутствующих наблюдателей. Система формулировок теперь известна как метрики FLRW или Робертсона-Уокера космического времени и искривленного пространства.
Устойчивое состояние Герман Бонди , Томас Голд , 1948 г. Расширяющееся, устойчивое состояние, бесконечное Скорость создания материи поддерживает постоянную плотность. Непрерывное создание из ничего из ниоткуда. Экспоненциальное расширение. Член замедления q = −1.
Устойчивое состояние Фред Хойл 1948 Расширяющееся, устойчивое состояние; но нестабильный Скорость создания материи поддерживает постоянную плотность. Но поскольку скорость создания материи должна быть точно сбалансирована со скоростью расширения пространства, система нестабильна.
Амбиплазма Ханнес Альфвен 1965 Оскар Кляйн Клеточная вселенная, расширяющаяся за счет аннигиляции вещества и антивещества На основе концепции плазменной космологии . Вселенная рассматривается как «метагалактики», разделенные двойными слоями и, следовательно, по своей природе пузырящиеся. Другие вселенные образуются из других пузырей. Продолжающаяся аннигиляция космического вещества и антивещества удерживает пузыри разделенными и раздвигающимися, предотвращая их взаимодействие.
Теория Бранса – Дике Карл Х. Бранс , Роберт Х. Дике Расширение По принципу Маха . G меняется со временем по мере расширения Вселенной. «Но никто не совсем уверен, что на самом деле означает принцип Маха».
Космическая инфляция Алан Гут 1980 Big Bang модифицирован для решения проблем горизонта и плоскостности На основе концепции горячей инфляции. Вселенная рассматривается как множественный квантовый поток - отсюда ее пузырьковая природа. Другие вселенные образуются из других пузырей. Продолжающееся космическое расширение удерживало пузыри разделенными и раздвигающимися.
Вечная инфляция (модель множественной вселенной) Андрей Линде , 1983 г. Большой взрыв с космической инфляцией Мультивселенная, основанная на концепции холодной инфляции, в которой инфляционные события происходят случайным образом, каждое с независимыми начальными условиями; некоторые расширяются в пузырьковые вселенные, предположительно как весь наш космос. Пузыри зарождаются в пене пространства-времени .
Циклическая модель Пол Стейнхардт ; Нил Турок 2002 Расширение и сокращение по циклам; М-теория . Две параллельные плоскости орбифолда или М-браны периодически сталкиваются в многомерном пространстве. С квинтэссенцией или темной энергией .
Циклическая модель Лаурис Баум; Пол Фрэмптон 2007 Решение энтропийной проблемы Толмена Фантомная темная энергия фрагментирует вселенную на большое количество разрозненных участков. Наш патч-контракт содержит только темную энергию с нулевой энтропией .

Примечания к таблице: термин «статический» просто означает не расширяться и не сжиматься. Символ G представляет гравитационную постоянную Ньютона ; Λ (Лямбда) - космологическая постоянная .

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки