Космология. 
Естествознание

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• • основные концепции космологии;
• • строение Вселенной;
• • геологическую историю Земли; уметь
• • анализировать различные космологические модели эволюции Вселенной;
• • делать выводы из теории Большого взрыва;
• • объяснять значение Солнца для различных этапов эволюции Земли; владеть
• • критической оценкой антропного принципа в космологии;
• • методологией введения «темной материи» и «темной энергии»;
• • классификацией космических объектов.

Космология как наука

«Парадоксы» теории относительности

Космологические парадоксы. Когда мы пытаемся описывать Вселенную с точки зрения классической физики, возникают некоторые противоречия, называемые космологическими парадоксами. Они имеют большое значение, так как показывают, что Вселенная не может быть устроена как угодно.

К парадоксам, возникшим в рамках классической физики, относятся:

• • так называемый термодинамический парадокс, утверждающий неизбежность «тепловой смерти» Вселенной;
• • гравитационный парадокс, утверждающий, что в бесконечной Вселенной, где средняя плотность вещества не стремится к нулю, гравитационный потенциал будет всюду принимать бесконечное значение;
• • фотометрический парадокс, утверждающий, что если пространство бесконечно и равномерно заполнено звездами, то всё небо должно равномерно светиться, например, как диск солнца.

Термодинамический парадокс. Согласно классической физике, в процессе развития Вселенной все виды энергии должны перейти в тепловую энергию, равномерно распределенную в пространстве (согласно второму началу термодинамики, замкнутая система достигает состояния с максимальной энтропией). Но общая теория относительности утверждает невозможность существования какого-либо абсолютно равновесного состояния Вселенной.

Гравитационный парадокс. Еще в начале XX в. было показано, что ньютоновскую теорию тяготения нельзя применять для расчета сильных полей тяготения. Для правильных расчетов требуется применять общую теорию относительности: в ней сила тяготения есть проявление неевклидовой метрики пространства-времени, и поэтому сила всегда однозначно определена и конечна.

А. Эйнштейн указывал на появление гравитационного парадокса как пример неприменимости ньютоновской теории для космологии.

Фотометрический парадокс был сформулирован в 1744 г. швейцарским астрономом и физиком Жаном Филиппом де Шезо (1718—1751), а затем в 1826 г. немецким астрономом, врачом и физиком Генрихом Вильгельмом Ольберсом (1758—1840). В силу ограниченности скорости света, объем пространства, фактически доступный наблюдениям, ограничен расстоянием, которое может пройти свет за всё время существования расширяющейся Вселенной. Это расстояние составляет приблизительно 13 млрд световых лет (один световой год равен расстоянию, которое проходит свет за один год). Это и есть радиус сферы, которую мы можем наблюдать и которая называется небесным сводом.