Космологія - наука про Всесвіт у цілому, про найзагальніші закони його будови і розвитку. Сучасна космологія ґрунтується на загальній теорії відносності для певної моделі Всесвіту. А саме: Всесвіт є однорідним та ізотропним у даний момент часу, тобто його властивості для кожного заданого моменту часу однакові в усіх його точках і напрямках.(космологічний принцип).

Така модель є наближеною, оскільки в невеликих об’ємах (наприклад, в об’ємі 10 пк у околицях Сонця) може бути кілька зір і міжзоряна розріджена плазма, а у сусідній ділянці простору такого ж об’єму взагалі може не бути жодної зорі. Але у великих масштабах (наприклад, у кубі зі стороною 100 млн. пк) число галактичних і зоряних об’єктів є майже однаковим у будь-якій частині видимого Всесвіту. Це приводить до важливого висновку: у великих масштабах Всесвіт однорідний.

Космологічні парадокси

У разі поширення законів фізики на Всесвіт загалом або досить великі його області, виникають утруднення, які було названо космічними парадоксами.

Існують три найбільш відомі космологічні парадокси: фотометричний (Шезо-Ольберса), гравітаційний ( парадокс Неймана – Зелігера) та «теплової смерті» Всесвіту.

Фотометричний парадокс.

«Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Класична фізика говорить, що якщо в нічному небі світить безліч зір, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір і галактик повинно бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Проте з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж удень. Пояснення цьому надає релятивістська космологія - через червоне зміщення яскравість далеких об’єктів знижується і Всесвіт може бути безмежним, але скінченним.

Математики запропонували таку модель Всесвіту, в якій можна спростувати фотометричний парадокс. В одновимірному просторі такий безмежний скінченний світ — це звичайне коло або будь-яка інша замкнута крива.

Замкнутий двовимірний простір — поверхня сфери, яка не має межі, але площа поверхні сфери є скінченною величиною.

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий замкнутий Всесвіт, який немає межі, але має скінченний об’єм і, отже, обмежену кількість зір і галактик. У такому Всесвіті немає центру, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямках простір однорідний. Як перевірити, що простір скінченний?. Якщо простір замкнутий, то мандрівник, подорожуючи в одному напрямку, може здійснити навколосвітню подорож і повернутися в точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож здійснив Маґеллан, який довів, що поверхня Землі є замкнутим двовимірним простором. У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню подорож, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань.

Гравітаційний парадокс — космологічна проблема, яка виникає із класичної теорії тяжіння і яку можна сформулювати таким чином: «У нескінченному Всесвіті з евклідовою геометрією і ненульовою середньою густиною речовини гравітаційний потенціал усюди набуває нескінченних значень». (зі збільшенням масштабу у Всесвіті його середня густина повинна стрімко зменшуватися і прямувати до нуля. Що суперечить моделі однорідного та безмежного Всесвіту. На даний момент цей парадокс не виникає, оскільки Ньютонівську теорію всесвітнього тяжіння, як з’ясувалося на початку XX ст.,не можна застосовувати для опису сильних гравітаційних полів тяжіння і, зокрема, розподілу нескінченної кількості речовини у безмежному просторі. У цих випадках треба використовувати теорію відносності Айнштайна.

Парадокс теплової смерті.

Теплова смерть термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи. При цьому ніякого направленого обміну енергією спостерігатися не буде, оскільки всі види енергії перейдуть в теплову. Термодинаміка розглядає систему, що перебуває в стані теплової смерті як систему, в якій термодинамічна ентропія максимальна.

Висновок про теплову смерть Всесвіту був сформульований Р. Клаузіусом 1865 р. на основі другого закону термодинаміки. За цим законом, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану — до так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідав би тепловій смерті Всесвіту.

Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про теплову смерть Всесвіту. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), відповідно до якої Всесвіт одвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому його місці інколи відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим значнішим є ступінь відхилення.

№2:

Вільне введення тексту

5 з 12 балів

Чи є Всесвіт у значному масштабі однорідним?
Що вивчає наука космологія? Сформулюйте її принцип.
У чому суть гравітаційного космологічного парадокса?
Поясніть, у чому полягає парадокс «теплової смерті»? Чим можна його спростувати?
Поясніть фотометричний парадокс безмежного і нескінченного Всесвіту (парадокс Ольберса): «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?».