Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Оглавление

Сергей Парновский. Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Предисловие

Глава 1. Законы Вселенной

1.1. Истоки космологии

1.2. Принципы общей теории относительности

1.2.1. Прецессия перигелия

1.2.2. Отклонение света

1.2.3. Гравитационное красное смещение

1.2.4. Другие эффекты и проверки

1.2.5. Выделенная система отсчета

1.2.6. Гравитация, инерция и приливные силы

1.2.7. Лунные приливы и отливы

1.2.8. Пространство, время и пространство-время

1.2.9. Искривленное пространство-время

1.3. Сколько весит свет?

1.3.1. Барионная материя

1.3.2. Излучение

1.3.3. Темная энергия и антигравитация

Глава 2. Расширяющаяся Вселенная

2.1. Статическая Вселенная Эйнштейна

2.2. Расширение Вселенной и красное смещение

2.2.1. Другие галактики и их разбегание

2.2.2. Расширение

2.2.3. Красное смещение

2.3. Закон Хаббла

2.4. Модели Фридмана

2.4.1. Стрела времени

2.5. Геометрия Вселенной

2.6. Масштабный фактор

2.6.1. Параметр замедления

2.7. Нерелятивистские решения Фридмана

2.7.1. Космологическая эволюция без космологической постоянной

2.7.2. Исследование решений

2.7.3. Параметр замедления

2.7.4. Материя с ненулевым давлением в расширяющейся Вселенной

2.8. Современная модификация модели

2.8.1. Космологическая постоянная наносит ответный удар

2.8.2. Стандартная космологическая модель

2.9. Расстояния в астрономии

Глава 3. Ранняя Вселенная

3.1. Большой взрыв

3.2. Реликтовое излучение: эхо Большого взрыва

3.2.1. Открытие реликтового излучения

3.2.2. Анизотропия реликтового излучения

3.2.3. Космология выходит в космос

3.2.4. Наземные наблюдения реликтового излучения

3.2.5. Спектр флуктуаций реликтового излучения

3.2.6. Сохранение энергии

3.2.7. Нездоровые сенсации

3.3. Эволюция ранней Вселенной

3.4. Космологический горизонт

3.5. Расстояние до космологического горизонта

3.6. Инфляционное расширение Вселенной

3.6.1. Модели инфляции

3.7. Поливерсум и антропный принцип

3.7.1. Кому во Вселенной жить хорошо?

3.7.2. Что же утверждает антропный принцип?

3.7.3. Пульсирующая Вселенная

3.8. На пути к таблице Менделеева

3.8.1. Первичный нуклеосинтез

3.8.2. Звездный нуклеосинтез

3.8.3. Проблема антиматерии

Глава 4. Темная материя

4.1. Революция приближается

4.2. Свидетельства существования темной материи

4.2.1. Вириальная масса

4.2.2. Кривые вращения галактик

4.2.3. Отношение масса – светимость

4.2.4. Слияния галактик

4.2.5. Космические потоки

4.2.6. Темпы роста флуктуаций плотности

4.2.7. Гравитационное линзирование

4.3. Из чего состоит темная материя?

4.4. Альтернативные модели

Глава 5. Темная энергия

5.1. Космологические свидетельства существования темной материи и темной энергии

5.1.1. Сверхновые типа Ia

5.1.2. Барионные акустические колебания

5.1.3. Спектр флуктуаций реликтового излучения

5.2. Темная энергия

5.3. Время до Большого разрыва

5.4. Другие виды материи

Глава 6. Черные дыры и другие экзотические объекты

6.1. Черные дыры

6.1.1. Шварцшильдовские черные дыры

6.1.2. Черная дыра Райсснера – Нордстрёма

6.1.3. Вращающаяся черная дыра Керра

6.2. Голые сингулярности

6.3. Кротовые норы

Выводы

Приложение А. Космологическая эволюция с космологической постоянной

A.1. Решение де Ситтера

А.2. ΛCDM-модель

А.3. Плоская ΛCDM-модель

Литература

Отрывок из книги

В книге описана история и современное состояние космологии – науки о Вселенной в целом. Она посвящена описаниям основных идей космологии: расширяющейся Вселенной, ее возникновению в ходе Большого взрыва, эволюции, характерным величинам и т. д. Мы попытались ответить на многие часто задаваемые вопросы на эти темы. Мы подробно рассказываем про две загадки современной науки, имеющие непосредственное отношение к космологии, – темную материю и темную энергию.

Эта книга отличается от большинства научно-популярных книг. Золотое правило их написания гласит: каждая формула в тексте уполовинивает число потенциальных читателей. Тем не менее мы рискнули и используем уравнения, но только там, где они необходимы. Мы постарались свести количество формул до минимума и сделать их настолько простыми, насколько это возможно, понятными для всех, кто изучал математику или физику в институте. Формулы собраны в особые разделы, отмеченные в оглавлении звездочками как «Расширенный материал», и они должны рассматриваться именно так. Кроме того, в тексте они отмечены изображением Альберта Эйнштейна.

.....

Ньютоновская механика построена вокруг идеи инерциальной системы отсчета. Первый закон Ньютона справедлив только в таких системах. Инерциальная система связана с телом, которое не взаимодействует с остальной частью Вселенной. Возможно ли это? На любое тело можно воздействовать с помощью механических сил, таких как сила натяжения привязанной к телу веревки[13], и четырех фундаментальных сил: электромагнитных, слабых[14], сильных[15] и гравитационных. Электромагнитные, слабые и сильные силы действуют лишь на некоторые из частиц, которые имеют ненулевые заряды соответствующего типа. Гравитационная сила, с другой стороны, является универсальной; она действует на все тела во Вселенной. Даже безмассовые частицы, такие как фотоны, подвержены силе гравитационного притяжения. Поэтому не ясно, каким образом можно обеспечить инерциальную систему отсчета в присутствии гравитационного поля.

ОТО тоже выделяет некоторые системы отсчета, но, в отличие от ньютоновской механики, они не должны быть подвержены действию никаких сил, кроме гравитационных. В таких системах отсчета справедливы все физические законы, в том числе законы специальной теории относительности (СТО). Чтобы ускорить тело в такой системе, на него надо воздействовать с помощью любой внешней силы, кроме силы тяжести. Другими словами, это системы, в которых наблюдатель свободно падает. Проиллюстрируем это на двух простых примерах.

.....