Космология — фундаментальный раздел астрономии, посвящённый всестороннему изучению Вселенной как целостной системы. Эта научная дисциплина исследует основные законы возникновения, развития и эволюции космического пространства, опираясь на три науки: математику, физику и астрономию.

Факты

• Объект изучения: происхождение, структура и эволюция Вселенной.
• Основная теория: Большой взрыв, произошедший около 13,8 миллиардов лет назад.
• Ключевые вопросы: форма Вселенной, её размер и конечность, будущее развитие.
• Основные методы: наблюдение космического микроволнового фона, изучение галактик и моделирование.
• Известные учёные: Эдвин Хаббл, Стивен Хокинг, Александр Фридман.
• Знаковые открытия: расширение Вселенной, тёмная материя, тёмная энергия.
• Применение знаний: понимание физических законов, прогнозирование космических явлений, поиск жизни за пределами Земли.

История космологии

Истоки космологических представлений берут своё начало в древних религиозных учениях, где первостепенное значение отводилось космогонии — идеям о сотворении мира, и эсхатологии — концепциям его завершения.

В Древнем Китае развитие космологических идей прошло несколько этапов. Изначально модель мироздания основывалась на образе черепашьего панциря, где щитки символизировали разделение земной поверхности. Позднее возникла концепция гайтянь, уподоблявшая небесный свод куполу колесницы. К середине эпохи Хань эта теория уступила место модели хуньтянь, представлявшей космос в виде сферы с Землёй в центре. Около 180 года нашей эры учёный Цай Юн упоминал также загадочную модель сюанье, её детали не сохранились до наших дней.

Европейская античная космология развивалась по иному пути. Доминирующей стала геоцентрическая система, помещавшая неподвижную сферическую Землю в центр мироздания. Вокруг неё, согласно этой теории, совершали движение пять известных планет, Солнце и Луна. Интересна смелая гипотеза Аристарха Самосского о гелиоцентрической системе, не получившей, однако, признания современников.

Античные учёные вели активные дискуссии о пределах космического пространства. Большинство считало Вселенную ограниченной сферой неподвижных звёзд. За этими пределами, по мнению перипатетиков — последователей Аристотеля, не существовало ни материи, ни пространства. Стоики, напротив, предполагали наличие бесконечного пустого пространства. Атомисты, включая Левкиппа, Демокрита и Эпикура, допускали существование других миров за пределами известного. Особняком стояла теория Гераклида Понтийского, рассматривавшего звёзды как далёкие миры с собственными землями и атмосферами.

В эпоху средневековья космологическая мысль как христианского, так и мусульманского мира основывалась на синтезе учения Аристотеля и теории движения планет Птолемея. Философы XIII—XIV веков, рассуждая о всемогуществе Божественного начала, допускали теоретическую возможность существования других миров, хотя и считали это лишь умозрительной концепцией. Ряд мыслителей, включая Томаса Брадвардина и Николая Орема, развивали идею о бесконечном пространстве за пределами известного мира, считая его обителью Божественного присутствия.

Кардинальные изменения в космологическое мировоззрение внёс Николай Кузанский. В своём трактате «Об учёном незнании» он предложил революционную для своего времени концепцию. Согласно его теории, Земля признавалась одной из планет, также совершающей движение, а каждый наблюдатель во Вселенной мог с равным основанием считать себя неподвижным. Кузанский утверждал, что Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность — прерогатива Божественного.

Эпоха Возрождения

Первая половина XVI века ознаменовалась появлением революционной гелиоцентрической системы Николая Коперника. Учёный поместил в центр мироздания Солнце, вокруг которого вращались планеты, включая Землю. При этом наша планета совершала также вращение вокруг собственной оси. Коперник, следуя традициям своего времени, всё ещё считал Вселенную ограниченной сферой неподвижных звёзд.

Томас Диггес предложил модификацию системы Коперника, размещая звёзды на различных расстояниях от Земли, вплоть до бесконечности. Франческо Патрици и Ян Ессенский, приняв идею вращения Земли вокруг оси, также поддержали концепцию бесконечного распределения звёзд во Вселенной.

Решающий шаг в развитии космологической мысли сделал Джордано Бруно. Он первым в Новое время выдвинул идею о том, что звёзды — это далёкие солнца, а физические законы едины во всём бесконечном пространстве. Его взгляды в конце XVI века поддержал Уильям Гильберт, а позднее — Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс.

Возникновение современной космологии

Фундамент современной космологии заложила общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна и развитие физики элементарных частиц в XX веке. В 1917 году Эйнштейн опубликовал работу «Космологические соображения к общей теории относительности», где ввёл три базовых предположения: однородность, изотропность и стационарность Вселенной. Для обеспечения последнего условия он добавил в уравнения гравитационного поля «космологический член».

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, описывающее расширяющуюся из начальной сингулярности изотропную Вселенную. Эмпирическое подтверждение теории пришло в 1929 году, когда Э. Хаббл открыл космологическое красное смещение галактик. Это открытие заложило основу современной теории Большого взрыва.

Возраст Вселенной и современные исследования

Согласно последним научным данным, полученным с помощью космического телескопа «Планк», возраст Вселенной составляет 13,798 ± 0,037 миллиарда лет. Эта оценка основана на стандартной космологической ΛCDM-модели, учитывающей все известные параметры развития космического пространства.

Современная космология выделяет три основных этапа эволюции Вселенной. Первый этап — планковское время, длившееся 10⁻⁴³ секунды после Большого взрыва, когда произошло отделение гравитационного взаимодействия от других фундаментальных сил. Второй этап характеризовался формированием первичных частиц и разделением видов взаимодействий, продолжаясь до 10⁻² секунды после Большого взрыва. Третий этап — эпоха стандартной космологии — начался через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается по сей день.

Космические исследования

Космический аппарат «Планк», созданный Европейским космическим агентством, произвёл революцию в наших представлениях о ранней Вселенной. Его наблюдения позволили создать детальнейшую карту температурных флуктуаций реликтового излучения. Полученные данные подтвердили, что наблюдаемая Вселенная состоит из 4,9% обычного вещества, 26,8% тёмной материи и 68,3% тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение космического пространства.

До «Планка» важный вклад в исследование реликтового излучения внёс космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Его измерения впервые позволили с высокой точностью определить состав Вселенной и подтвердить существование тёмной материи в её «холодной» форме — состоящей из тяжёлых частиц, а не из лёгких частиц типа нейтрино.

Выдающиеся учёные космологии

Основы современной космологии заложили несколько поколений блестящих учёных. Альберт Эйнштейн совершил революцию в понимании устройства Вселенной, создав общую теорию относительности и введя понятие космологической постоянной. Его работы открыли новую эру в изучении космоса.

Александр Фридман существенно развил теорию Эйнштейна, математически доказав нестационарность Вселенной и её постоянное расширение. Эти исследования заложили фундамент теории Большого взрыва. Георгий Гамов дополнил теорию Фридмана концепцией «Горячей Вселенной», объяснив процесс формирования первичных элементов и космического излучения.

Эдвин Хаббл внёс неоценимый вклад в практическую космологию, доказав существование других галактик и установив зависимость между красным смещением и расстоянием до космических объектов. Эти открытия эмпирически подтвердили теорию расширяющейся Вселенной.

Во второй половине XX века Стивен Хокинг совершил прорыв в понимании природы чёрных дыр, предложив теорию их образования и «испарения». Джим Пиблс, удостоенный Нобелевской премии по физике в 2019 году, сделал фундаментальные открытия в области физической космологии.

Значительный вклад в развитие космологии внесли и другие учёные: Авишай Декель исследовал процессы формирования галактик, Роберт Дикке изучал фоновое излучение, Аллан Сэндидж создал космологическую шкалу расстояний, а Андрей Сахаров разработал теорию СРТ-симметричных вселенных.