Краткая хронология и причины смены парадигм (с пояснениями).
- Геоцентрическая модель Птолемея (Птолемей, \((\sim 2\) в. н.э.)):
- Представление: Земля неподвижна в центре, планеты движутся по комбинации окружностей (деференты и эпициклы).
- Почему работало: давало достаточно точные предсказания видимых положений планет.
- Ограничение/проблема: сложная конструкция, не объясняла физическую причину движений; не было наблюдаемой параллаксы звёзд.
- Гелиоцентризм Коперника и его развитие (Коперник \((1543)\); Галилей, Кеплер $(1609\text{–}1619)$):
- Суть: Солнце в центре системы; Кеплер — орбиты эллипсы (три закона Кеплера; в частности $(P^2\propto a^3)$).
- Ключевые наблюдения: фазы Венеры и спутники Юпитера (Галилей, $(1610)$) — прямой отказ от геоцентризма; точные наблюдения Тихо Браге позволили Кеплеру вывести эллипсы.
- Значение: упрощение объяснения ретроградного движения и орбитальных связей.
- Ньютоновская механика (Ньютон, $(1687)$):
- Суть: универсальный закон тяготения $\left(F=G\frac{m_1{m}_2}{r^2}\right)$ + законы движения дают физическое основание для орбит Кеплера.
- Ключевые наблюдения/доказательства: точное согласование с движением планет, предсказания комет и приливов.
- Следствие: модель Солнечной системы стала физически объясняемой и предсказуемой.
- Подтверждение движения Земли — параллакс (Бессель, $(1838)$):
- Наблюдение ежегодной параллаксы звёзд подтвердило орбитальное движение Земли и устранило остаточные сомнения.
- «Острова Вселенной» и обнаружение галактик (Хаббл, $(1924)$):
- Наблюдение: Цефеиды в Андромеде показали, что спиральные туманности — отдельные галактики; далее Хаббл установил соотношение красного смещения и расстояния $(v=H_{0}d)$.
- Последствие: расширяющаяся Вселенная как общая картина.
- Общая теория относительности и космология (Фридман, Леметр; 1920-е):
- Теория дала уравнения динамики Вселенной (Фридманское уравнение):
$${\left(\frac{\dot{a}}{a}\right)}^2=\frac{8\pi G}{3}\rho +\frac{\Lambda }{3}-\frac{k}{a^2}.$$ - Значение: математическое обоснование расширения, возможность кривизны и космологической постоянной $\Lambda$.
- Открытие реликтового излучения (Пензияс и Вильсон, $(1965)$):
- Наблюдение: микроволновой фон с температурой $(T\approx 2.73\text{K})$.
- Значение: сильная эмпирическая поддержка модели горячего начала (Большой взрыв).
- Нуклеосинтез в ранней Вселенной (BBN) — предсказание светлых элементов:
- Наблюдения относительных абундаций ${}^4$He, D, ${}^3$He согласуются с расчётами для горячей, плотной ранней Вселенной; это подтверждало сценарий ранней горячей фазы.
- Темная материя (Звикки $(1933)$; ротационные кривые Рубина $(1970-е)$):
- Наблюдения: скорости галактик в кластерах и плоские кривые вращения спиральных галактик указывают на невидимую массу; гравитационное линзирование и сопоставление с моделированием структур усилили аргументы.
- Последствие: необходимость компонента «тёмной материи», который гравитационно влияет, но не излучает.
- Открытие ускоренного расширения и введение темной энергии ($(1998)$):
- Наблюдения: сверхновые типа Ia показали, что удалённые объекты отдаляются быстрее, чем ожидалось в модели без $\Lambda$ — следовательно, отрицательное давление или космологическая постоянная $\Lambda$.
- Результат: современная ΛCDM-парадигма.
- Современная ΛCDM-космология (сводно):
- Состав: космологическая постоянная/тёмная энергия $\Lambda$ + холодная тёмная материя (CDM) + барионная материя + радиация; модель основана на FLRW-метрике и Фридманских уравнениях.
- Основные наблюдательные опоры: закон Хаббла (расширение), реликтовое излучение (CMB — anisotropies: COBE, WMAP, Planck), абундации лёгких элементов (BBN), крупномасштабная структура и галактические вращения, сверхновые Ia (ускорение), гравитационное линзирование.
- Параметры (приблизительно, по современным измерениям Planck/комбинациям):
$${\Omega }_{\Lambda }\approx 0.69,{\Omega }_m\approx 0.31,{\Omega }_b\approx 0.049,{\Omega }_{cdm}\approx 0.26,$$ $$H_0\sim 67\text{–}73{\text{km s}}^{-1}{\text{Mpc}}^{-1}(\text{текущий «тензор» по}{H}_0).$$
Коротко: каждая смена парадигмы происходила от несоответствия старой модели новым, более точным наблюдениям (фазы Венеры, параллаксы, цефеиды в туманностях, красное смещение, CMB, BBN, ротационные кривые, сверхновые Ia) и от развития теоретических рамок (Ньютон, ОТО, Фридман). ΛCDM — текущая рабочая модель, объединяющая эти наблюдения, но она оставляет открытыми фундаментальные вопросы природы тёмной материи и тёмной энергии.