З самого свого виникнення людина розумна цікавився пристроєм навколишнього його світу. Воно і зрозуміло, наявність знань передбачало більше шансів на виживання в мінливому навколишньому світі.На протягом історії розуміння Всесвіту, як світу в якому ми існуємо постійно змінювалося.
Але до Середньовіччя через відсутність інструментальних методів досліджень уявлення про будову Всесвіту залишалися досить примітивними. Перший значний поштовх у бік сучасних уявлень про Всесвіт зробив Коперник. Другий за величиною внесок внесли Кеплер і Ньютон. Але воістину революційні зміни в наших уявленнях про Всесвіт відбуваються лише в XX столітті. В цей час всі накопичені матеріали і спостереження з астрономії, а також відкриття у фізиці (Теорія відносності Ейнштейна і відкриття фізики елементарних частинок) привели до народження нової науки - КОСМОЛОГІЇ. Зараз космологію можна охарактеризувати як розділ астрономії, що вивчає властивості і еволюцію Всесвіту в цілому.
Некотоие частина спостережуваного Всесвіту
Космологія на даному етапі свого розвитку має в своєму арсеналі досить велика кількість моделей описують будову Всесвіту. У різних моделей різну кількість прихильників, але питання про будову і формі Всесвіту досі не до кінця з'ясований. Одну з нестандартних моделей будови Всесвіту пропонує фрактальная космологія.
У фізичної космології (фізична космологія - розділ астрономії, який досліджує фізичне походження Всесвіту і її природу в найбільших масштабах), фрактальна космологія є набором того меншини космологічних теорій, які стверджують, що розподіл матерії у Всесвіті підкоряється фрактальному алгоритму або, простіше кажучи, Всесвіт по суті є фракталом. Центральним питанням фрактальної космології є фрактальна розмірність Всесвіту або розподіл речовини в ній, при вимірюванні в дуже великих або дуже малих масштабах.
Фрактали в спостережної космології.
Вперше спроба змоделювати розподіл галактик по нікому фрактальному механізму або шаблоном була зроблена Лучано Петронеро і його командою в 1987 році, а більш детальне уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту виникло протягом наступного десятиліття, у зв'язку з тим, що кількість каталогізованих галактик постійно збільшувалася. Петронеро стверджує, що Всесвіт має певну фрактальну структуру в досить широкому діапазоні масштабів, з фрактальної розмірністю рівною близько 2.
Фрактальна розмірність однорідних 3D об'єктів дорівнює 3, для однорідної поверхні вона дорівнює 2, в той час як фрактальна розмірність для фрактальної поверхні знаходиться між 2 і 3. Остаточне значення цього результату не безпосередньо, але опосередковано вказує, як хаотичність і ієрархічна структуризація працюють в таких масштабах , як скупчення галактик і в більших утвореннях.
Видимий Всесвіт описується як однорідна і ізотропна (тобто речовина в ній плавно розподілено) в дуже великих масштабах, як і передбачається в стандартній теорії Великого вибуху або в такій моделі як Всесвіт Фрідмана. Всесвіт Фрідмана (вона ж метрика Фрідмана - Леметра - Робертсона - Уокера) - одна з космологічних моделей, які відповідають польовим рівнянням загальної теорії відносності, перша з нестаціонарних моделей Всесвіту. Отримано Олександром Фрідманом в 1922 році.
Модель Фрідмана описує однорідну ізотропну нестаціонарну Всесвіт з речовиною, що володіє позитивною, нульовою або негативною постійної кривизною. Фрідман зробив два дуже простих пропозиції: по-перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її не спостерігали (изотропность Всесвіту), і, по-друге. це твердження має залишатися справедливим і в тому випадку, якщо б ми виробляли спостереження з якого-небудь іншого місця (однорідність Всесвіту). Ці два припущення складають так званий космологічний принцип. Ця робота вченого стала основним теоретичним розвитком ОТО після робіт Ейнштейна 1915-1917 рр. Також однорідна і ізотропна Всесвіт описується і в такий космологічної моделі матерії як - LCDM (читається «Лямбда-СіДіЕм») - скорочення від англ. Lambda-Cold Dark Matter.
Lambda-CDM, прискорене розширення Всесвіту. Тайм-лінії в цій схемі простягаються від початку Великого Вибуху 13,7 млрд років тому до теперішнього космологічного часу.
LCDM - сучасна стандартна космологічна модель. в якій просторово-плоска Всесвіт заповнена, крім звичайної баріонів матерії (матерією складається з баріонів (нейтронів, протонів) і електронів. Тобто, там не є звична нам форма матерії, речовина), темною енергією і холодної темною матерією (англ. Cold Dark Matter). Щоб було зрозуміло, про що йде мова, пояснимо поняття темної матерії і темної енергії.
Кількісне співвідношення між видимою частиною Всесвіту і темною енергією і матерією.
Темна матерія ж в свою чергу є формою матерії, яка не випускає електромагнітного випромінювання і не взаємодіє з ним. Це властивість даної форми речовини унеможливлює її пряме спостереження. Однак, можливо виявити присутність темної матерії по створюваним нею гравітаційним ефектам. Поняття "темної матерії" було введено з метою пояснити аномально високі орбітальні швидкості зірок знаходяться в зовнішніх областях галактик.
Сильне гравітаційне лінзування як це спостерігалося за допомогою космічного телескопа Хаббла в Abell 1689 вказує на присутність темної матерії.
3D-карта великомасштабного розподілу темної матерії, реконструйований з вимірювання слабкого гравітаційного лінзування за допомогою космічного телескопа Хаббла.
Фрактали в теоретичної космології.
У теоретичній космології перша згадка про фрактали швидше за все, пов'язано з Андрієм Лінде, з його теорією "вічно існуючої самовідтворюється хаотичною роздувається Всесвіту». По суті, теорія Лінде є продовженням теорії інфляційної моделі Всесвіту Алана Гута. Центральну роль в цій теорії грає особлива форма матерії , звана хибним вакуумом. У повсякденному розумінні цього слова вакуум - просто абсолютно порожній простір. Але для фізиків, що займаються елементарними частинками, вакуум - далеко не повне ніщо, а фізичний об'єкт, що володіє енергією і тиском, який може знаходитися в різних енергетичних станах. Фізики називають ці стани різними вакуум, від їх характеристик залежать властивості елементарних частинок, які можуть в них існувати. Зв'язок між частинками і вакуумом подібна зв'язку звукових хвиль з речовиною, по якому вони поширюються: в різних матеріалах швидкість звуку неоднакова.
Розпад помилкового вакууму
Комп'ютерна модель вічної інфляції. Помилковий вакуум (жовтий) розширюється вдвічі кожні 10-33 секунд. В областях, де він розпався (сині), утворилися всесвіти, подібні до нашої. На кордонах відбувається «великий вибух».
Фото: А. Виленкин
Ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі. і довгий час фізики вважали, що енергія нашого вакууму в точності дорівнює нулю. Однак недавно спостереження показали, що він має трохи відмінною від нуля енергією (вона отримала назву темної енергії). Сучасні теорії елементарних частинок пророкують, що крім нашого вакууму існує ряд інших, високоенергетичних вакуумів, званих помилковими. Гут просто припустив, що на самому початку історії Всесвіту простір перебувало в стані помилкового вакууму. В такому випадку викликається ним відразлива гравітація привела б до дуже швидкого прискореному розширенню Всесвіту. При такому типі розширення, який Гут назвав інфляцією. існує характерний час подвоєння, за яке розмір Всесвіту збільшується в два рази. Це схоже на інфляцію в економіці: якщо її темпи постійні, то ціни подвоюються, скажімо, за 10 років.
Космологічна інфляція йде набагато швидше, з такою швидкістю, що за малу частку секунди крихітна область поперечником менше атома роздувається до розмірів, що перевищують спостережувану сьогодні частина Всесвіту. Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він в результаті розпадеться, породжуючи вогненний згусток, і на цьому інфляція закінчується. Розпад помилкового вакууму грає в цій теорії роль Великого вибуху.
Подальший розвиток даної теорії призводить до досить несподіваних результатів: хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті в цілому вона триває. То там, то тут в її товщі трапляються «великі вибухи», в яких розпадається помилковий вакуум і виникає область космосу, подібна до нашої. Але інфляція ніколи не закінчиться повністю, у всьому Всесвіті. Справа в тому, що розпад вакууму - імовірнісний процес, і в різних областях він трапляється в різний час. Виходить, Великий вибух не був унікальною подією в нашому минулому. Безліч «вибухів» сталося колись і незліченну кількість ще станеться в майбутньому. Цей ніколи не кінчається процес називається вічної інфляцією.
Можна спробувати уявити, як би виглядала інфлірующая Всесвіт. якщо поглянути на неї з боку. Простір було б заповнено хибним вакуумом і дуже швидко розширювалося на всі боки. Розпад помилкового вакууму схожий на закипання води. То там, то тут спонтанно виникають бульбашки низькоенергетичного вакууму. Ледве зародившись, бульбашки починають розширюватися зі швидкістю світла. Але вони дуже рідко стикаються, оскільки простір між ними розширюється ще швидше, утворюючи місце для все нових і нових бульбашок. Ми живемо в одному з них і бачимо тільки малу його частину. Виходячи з цього, можна сказати, що, по суті Всесвіт є фракталом в дуже великих масштабах, оскільки "бульбашки" самоподобни.
До 1929 року Хаббл виміряв відстані до декількох десятків галактик і, зіставивши їх з раніше отриманими спектрами, несподівано виявив, що чим далі знаходиться галактика, тим сильніше зміщені в червону сторону її спектральні лінії. Цей феномен і був названий ефектом червоного зсуву, що є одним з основних показників розширення Всесвіту. А недавно Олександр Райков спільно з Віктором Орловим з СПбДУ виявили ознаки фрактального розподілу в каталозі гамма-сплесків на масштабах до z = 3 (тобто по фрідмановской моделі в більшій частині видимого Всесвіту). Якщо це підтвердиться, космології має бути серйозна струс. Фрактальность узагальнює поняття однорідності, яке з міркувань математичної простоти було взято за основу космології XX століття. Сьогодні фрактали активно досліджуються математиками, регулярно доводяться нові теореми. Фрактальность великомасштабної структури Всесвіту може привести до дуже несподіваних наслідків, і, хто знає, чи не чекають нас попереду радикальні зміни картини Всесвіту і її розвитку?