Очевидно, что главной целью изучения основных положений современной космологии является формирование современной научной картины мира.

Достижению этой цели во многом должно способствовать не только само содержание учебного материала, но и подход к изучению основ современных представлений об эволюции Вселенной. В процессе занятий целесообразно обратить внимание учащихся на целый ряд интересных и во многом поучительных моментов в становлении и развитии идеи эволюции Вселенной, раскрывая при этом некоторые вопросы методологии научных исследований. В частности, преемственность научных теорий, взаимосвязь теории и наблюдений (эксперимента), роль интеграции достижений различных наук в процессе разработки сложнейших научных проблем, ярким примером которых является современная космология. Все это позволяет не только показать учащимся те трудности, которые пришлось преодолевать ученым, но и привести убедительные свидетельства тех исключительных возможностей, которыми располагает наука для преодоления казалось бы непреодолимых препятствий на пути ее развития.

Теоретическим фундаментом современных космологических моделей является общая теория относительности А.Эйнштейна – релятивистская теория тяготения, изучение которой в средней школе, к сожалению, представляется весьма трудным делом. Поэтому ознакомление учащихся с теми выводами о неизбежности процесса эволюции Вселенной в целом, которые были сделаны на основании этой фундаментальной теории, может стать первым шагом на пути ее более глубокого познания в процессе дальнейшего обучения, возможного в классах физико-математического профиля.

Основное содержание

В процессе проведения занятий, которые можно считать первым этапом изучения основ современной космологии, желательно ограничиться рассмотрением следующих вопросов:

1. Что изучает космология.

2. Эффект Доплера. «Красное смещение» в спектрах галактик.

3. Нестационарность Вселенной – неизбежное следствие действия сил тяготения.

4. Гипотеза «горячей Вселенной» и ее следствия.

5. Открытие реликтового излучения – важнейшее наблюдательное подтверждение современных космологических представлений.

6. «Большой взрыв» и его особенности.

7. Состояние вещества на начальных этапах расширения Вселенной.

1. Космология – это физическое учение о Вселенной как целом, основанное на наблюдательных данных и теоретических выводах. На протяжении всей истории существования цивилизации человечество стремилось представить структуру всего окружающего мира. На каждом историческом этапе представления о Вселенной отражали достигнутый человечеством уровень знаний и опыт изучения природы. Космологические представления менялись по мере того как расширялись масштабы познанной человечеством части Вселенной.

Первой космологической моделью, которая имела теоретическое (математическое) обоснование, можно считать геоцентрическую систему мира, преложенную К.Птолемеем во II в. нашей эры. Через полторы тысячи лет ее на смену пришла гелиоцентрическая система мира Н.Коперника. По сути дела эта модель представляла лишь строение Солнечной системы, поскольку только она и была хорошо изученной системой.

В начале ХХ в. стало складываться представление о Вселенной как о мире галактик. В то же самое время в 1917 г. А.Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), которой было суждено стать теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он понимал значение своей теории для космологии и потому сразу же стал выяснять имеют ли уравнения ОТО, применимые ко всей Вселенной, решения, которые описывают ее состояние, не меняющееся со временем.

2. В 1922-24 гг. российский математик А.А.Фридман, применив уравнения Эйнштейна к описанию всей Вселенной, получил общие решения этих уравнений, из которых следовало, что галактики, заполняющие все ее пространство должны либо удаляться друг от друга либо сближаться.

Важное подтверждение теоретические выводы Фридмана получили благодаря наблюдениям Э.Хаббла. Измеряя лучевые скорости галактик, он обнаружил, что в их спектрах линии смещены к красному его концу, что согласно эффекту Доплера означало их удаление. В дальнейшем сравнивая величину «красного смещения» в спектрах различных галактик, Хаббл установил закон, который впоследствии был назван его именем. Согласно закону Хаббла скорости удаления любой галактики от нас пропорциональны расстоянию до нее: V = H · R.

Признавая исключительную важность этого открытия и других его заслуг, как одного из выдающихся астрономов-наблюдателей, имя Хаббла было присвоено крупнейшему космическому телескопу, который был выведен США на околоземную орбиту в 1990 г. Этот телескоп и до сих пор используется для получения высококачественных изображений и другой информации о различных космических объектах, в частности, далеких галактик.

Однако из закона Хаббла вовсе не следует, что наша Галактика занимает какое-то исключительное положение во Вселенной. Наоборот, обнаруженное в спектрах галактик «красное смещение» означает, что все галактик (за исключением наиболее близко друг к другу расположенных) взаимно удаляются друг от друга. Иначе говоря, закономерность расширения, которая описывается законом Хаббла, одинакова для наблюдателя, находящегося в любой точке пространства. Таково общее свойство того пространства, в котором мы живем. В этой связи следует вспомнить слова А.Эйнштейна, сказанные им в ответ на просьбу коротко сформулировать сущность общей теории относительности. Его ответ сводился к следующему: «Прежде считалось, что свойства пространства не зависят от наличия в нем тел. Из теории относительности следует, что свойства пространства зависят от наличия в нем тел».  

3. Открытие Э.Хабблом «красного смещения» в спектрах галактик и теоретические работы А.А.Фридмана показали, что Вселенная не может быть стационарной. Более того, можно сказать, что если бы наблюдения не показали систематического смещения линий в спектрах галактик, то это означало бы отсутствие нестационарности Вселенной. Отсюда с неизбежностью было бы необходимо сделать вывод о том, что законы тяготения (как Ньютона, так и Эйнштейна) нуждаются в уточнении, что наряду с гравитационными силами, подчиняющимися закону всемирного тяготения, существует какая-то еще неизвестная универсальная сила, которая мешает тяготению сделать Вселенную нестационарной.

Работы Хаббла и Фридмана явились лишь началом изучения эволюции Вселенной, можно сказать, ее механики. Но именно они открыли дорогу последующим исследованиям физики тех процессов, которые происходили во Вселенной на различных ее эволюции.

Развернувшиеся на протяжении ХХ века исследования затронули целый ряд фундаментальных проблем физики и позволили достичь во многих из них очень существенных и важных для современной науки результатов.

Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе расположены друг к другу, чем в современную эпоху. Закон Хаббла дает возможность оценить время, которое прошло с момента начала их разбегания – начала расширения Вселенной. Это время составляет примерно 15-20 млрд. лет.

Нетрудно убедиться, что в столь отдаленную эпоху плотность вещества во Вселенной была столь велика, что ни галактики, ни звезды и никакие другие наблюдаемые в настоящее время объекты просто не могли существовать.

4. В 1948 г. Г.А.Гамовым и его сотрудниками была высказана гипотеза о том, что на начальных стадиях расширения Вселенной ее вещество имело не только огромную плотность, но и очень высокую температуру. На основе этой гипотезы они сделали попытку объяснить происхождение химических элементов и их распространенность в современной Вселенной. Первоначально эта попытка оказалась неудачной и только впоследствии справедливость этой гипотезы была подтверждена многими данными наблюдений.

Так выяснилось, что химический состав звезд, в котором преобладает водород, согласуется с представлениями о «горячей Вселенной». В том случае, если бы на начальной стадии температура во Вселенной была низкой, вещество звезд должно было бы полностью состоять из гелия.

Но более важным оказалось другой вывод, который следовал из предположения о первоначально горячей Вселенной - существование в нашу эпоху электромагнитного излучения, оставшегося от той эпохи, когда вещество во Вселенной имело большую плотность и высокую температуру. Это излучение выдающимся российским астрофизиком И.С.Шкловским было названо «реликтовым».

В процессе расширения Вселенной снижается как температура вещества, так и температура излучения. Согласно расчетам, проведенным в соответствии с различными вариантами теории температура реликтового излучения к настоящему времени должна быть в пределах от долей кельвина до 20-30 К. Электромагнитное излучение со столь малой температурой представляет собой ни что иное, как радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазона. Обнаружение реликтового излучения должно было стать решающим наблюдательным подтверждением теории «горячей Вселенной».  

Расчеты, проведенные в 1964 г. отечественными астрофизиками А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым, показали, что интенсивность реликтового излучения позволяет обнаружить его с помощью существовавших в те годы радиотелескопов. Однако эта теоретическая работа осталась незамеченной наблюдателями.

5. Поэтому открытие реликтового излучения совершилось случайно. В 1965 г. сотрудники американской компании «Bell» А.Пензиас и Р.Вилсон при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдений за спутником «Эхо», обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса и не зависящий от направления антенны. Наблюдения, проведенные ими на волне 7,35 см, показали, что температура обнаруженного излучения составляет около 3 К. За это выдающееся открытие, доказавшее, что в начале расширения Вселенная была горячей, А.Пензиасу и Р.Вилсону в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

Примечательно, что первые наблюдательные факты, которые косвенно свидетельствовали о существовании во Вселенной излучения с температурой в несколько кельвинов, были получены еще в 1941 г., т.е. еще до появления гипотезы «горячей Вселенной».

Случай с реликтовым излучением является одним из многих примеров в истории физики, когда предсказание еще неизвестного явления делалось задолго до появления технических возможностей его обнаружения. Поэтому при рассказе об обнаружении реликтового излучения целесообразно лишний раз подчеркнуть наличие у теории так называемой «предсказательной» функции.

Общая плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении звезд, радиогалактик и всех других современных источников излучения вместе взятых. В каждом кубическом сантиметре Вселенной содержится примерно 500 фотонов реликтового излучения, а в одном кубическом метре их около миллиарда. Что же касается обычного вещества Вселенной, то если его равномерно распределить в пространстве, то в одном кубическом метре окажется всего 1 атом. Таким образом, кванты электромагнитных волн оказывается распространены в природе гораздо больше, чем частицы вещества.

6. В научно-популярной литературе процессы, происходящие в «горячей Вселенной» на начальном этапе ее расширения, достаточно часто называют «Большим взрывом». Вполне естественно, что подобное название вызывает ассоциации с процессами при обычном взрыве. Тем более, что вопросами космологии занимались создатели советского атомного оружия, выдающиеся физики Я.Б.Зельдович и А.Д.Сахаров. Следует, однако, иметь в виду чрезвычайно важное отличие Большого взрыва от взрыва обычного, на что указывал, в частности, Я.Б.Зельдович. При взрыве какого-либо заряда, когда в малом объеме выделяется значительная энергия, вещество заряда сильно нагревается и испаряется. Возникающий при этом перепад давлений создает силу, которая и разбрасывает вещество. При Большом взрыве никаких перепадов давления и плотности вещества в начале расширения Вселенной нет. Причиной, «первотолчком» расширения являются силы отталкивания, которые возникают при так называемом «вакуумоподобном» состоянии вещества сверхвысокой плотности. Рассмотрение природы этих сил выходит далеко за рамки данного курса, важно лишь подчеркнуть коренное отличие Большого взрыва от обычных взрывов.

7. Ясно, что при той высокой температуре, которая согласно современным космологическим теориям существовала на начальных этапах расширения, вещество не может находиться в таком состоянии, которое наблюдается в привычных земных условиях. В первые секунды после начала расширения температура превышала 10⁹К. В этих условиях не могли существовать ни нейтральные атомы, ни даже сложные атомные ядра, но происходили процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. В этом горячем котле электроны и позитроны превращались в нейтрино и антинейтрино, при столкновении энергичных γ-квантов происходило рождение пар электронов и позитронов, а также их аннигиляция с превращением в кванты света. Наиболее тяжелые частицы вещества были представлены нейтронами и протонами, которые взаимодействуя с более легкими частицами превращаются друг в друга.

После того, как температура упала до миллиарда кельвинов, стало возможным образование простейших атомных ядер. Синтез элементов ограничивался только наиболее легкими ядрами. Образование элементов тяжелее гелия происходит в звездах уже в нашу эпоху. По истечении примерно пяти минут после расширения вещество состояло на 30% из ядер атомов гелия и на 70% из протонов – ядер атомов водорода. Такой химический состав вещества в дальнейшем остававлся неизменным на протяжении миллиарда лет вплоть до образования галактик и звезд, в недрах которых начинают происходить процессы нуклеосинтеза.

Методические рекомендации.

Прежде всего необходимо иметь в виду, что сама идея глобальной эволюции Вселенной оказалась столь необычной, что первоначально не была принята даже самим создателем теории относительности – Альбертом Эйнштейном. Уже позднее, когда стало очевидным, что все объекты во Вселенной с течением времени изменяются, многим ученым казалось, что эти изменения, которые происходят в ее отдельных составляющих, не меняют облика Вселенной в целом.

Поэтому не приходится удивляться тому, что учащиеся тоже могут далеко не сразу воспринять идею эволюции. 

Учитывая сказанное выше об ознакомлении учащихся средней школы с основами общей теории относительности (ОТО), нам представляется очень важным показать в первую очередь суть вывода об эволюции Вселенной, который был получен российским математиком А.А.Фридманом на основе строгого решения уравнений А.Эйнштейна. Этот вывод можно получить довольно просто, оперируя только привычными понятиями теории тяготения Ньютона, что позволяет продемонстрировать учащимся взаимосвязь и преемственность научных теорий, углубить представления о границах применимости той или иной теории. К сожалению, многие учащиеся воспринимают появление новой теории не иначе как замену «неправильной» теории «правильной».

Нелишним будет затронуть и вопрос, который нередко задают в связи с выводом о всеобщности процесса расширения Вселенной: «Куда и во что расширяется Вселенная?» Постановку такого вопроса нельзя признать правомерной, если считать, что Вселенная – это все, что существует, и вне Вселенной нет вообще ничего – ни материи, в каком-либо виде, ни пространства, ни времени. Если Вселенная – бесконечна, то она останется бесконечной, хотя расстояния между входящими в состав телами увеличатся.

В лекционной форме предлагаемый учебный материал можно уложить в одно занятие (сдвоенный урок). Однако, на наш взгляд целесообразнее распределить его на два занятия, каждое из которых будет занимать два урока. В этом случае учитель сможет не просто ознакомить учащихся с основными идеями современной космологии, но также использовать более продуктивные формы учебной деятельности школьников, организовать обсуждение изучаемых вопросов, сопровождая его замечаниями методологического характера и историческими экскурсами. Представляется целесообразным также не увлекаться (без особой на то необходимости) использованием математики, а ограничиться в основном изложением материала на качественном уровне, сосредоточив главное внимание на всестороннем раскрытии основных идей космологии.

На страницах научно-популярной литературе в последнее время достаточно много внимания уделяется описанию различных исторических подробностей того, как происходило то или иное открытие. Поэтому целесообразно предложить учащимся на основе этих материалов подготовить по отдельным вопросам небольшие по объему доклады (рефераты). Среди возможных тем этих сообщений можно назвать:

- «Преемственность теории тяготения Ньютона и теории тяготения Эйнштейна»,

- «Эффект Доплера: теория и экспериментальное доказательство»,

- «Открытие Хабблом «красного смещения» в спектрах галактик»,

- «Закон Хаббла и его следствия»,

- «Как было обнаружено реликтовое излучение» и другие.

Проведение заключительного (четвертого) урока возможно в форме беседы-дискуссии с обсуждением вопросов, которые ориентированы на выяснение не только того, как учащиеся усвоили сложные идеи современной космологии, но и их отношения к выводам науки о расширении Вселенной и его причинах. Последнее весьма важно, поскольку в настоящее время довольно широко распространены псевдонаучные спекуляции по этой серьезной мировоззренческой проблеме. 

Из числа средств, обеспечивающих наглядность обучения, можно использовать кино- и видеофильмы, посвященные космологии, которые довольно красочно (хотя и не всегда точно) воспроизводят события, происходившие во Вселенной многие миллиарды лет тому назад. Их демонстрацию следует рассматривать прежде всего как способ создания определенного эмоционального настроя на восприятие идеи эволюции Вселенной. Сами же идеи целесообразно раскрывать на основе более привычных для физики приемов: сравнение данных о красном смещении галактик при изменении системы отсчета (мысленный переход с нашей Галактики на любую другую), доказательство общности важного свойства теорий тяготения Ньютона и Эйнштейна (сферически-симметричная материальная оболочка не создает никакого гравитационного поля во своей внутренней полости) и т.п. Учитывая состояние преподавания элементов астрономии в основной школе желательно показать фотографии различных типов галактик и их спектров со смещением линий. Не следует пренебрегать простейшей демонстрацией увеличения расстояния между галактиками на двумерной модели (точки на поверхности раздуваемого шарика), а также какого-либо из модельных опытов, поясняющих принцип Доплера.  

Подводя в заключение итоги занятий, желательно еще раз подчеркнуть, что проблемы космологии самым тесным образом связаны со многими фундаментальными проблемами современной физики: теориями Великого объединения взаимодействия элементарных частиц, происхождения химических элементов и др. Современная космология подошла к решению многих грандиозных вопросов, которые еще недавно были совершенно недоступны для серьезного исследования, а теперь являются полем самой активной работы специалистов:

«Почему Вселенная начала расширяться? Каковы были тогда свойства пространства и времени? Какими процессами, происходившими в момент начала расширения объясняются самые общие свойства Вселенной? Почему во Вселенной есть вещество? Почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем, а не обладает иными свойствами? Чем закончится наблюдаемый нами Большой взрыв?»

Этот далеко неполный перечень вопросов, из которых еще отнюдь не все решены, показывает, насколько глубокие и фундаментальные проблемы решает современная наука. Разумеется, все эти проблемы уместно будет раскрыть в последующем уже в рамках особого факультативного курса.

Литература. 

Учебники для вузов

- Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. – М.: Наука, 1990.

Учебники для средней школы

- Физика и астрономия: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учреждений/ Под ред. А.А.Пинского, В.Г.Разумовского. – М.: Просвещение, 2000.

- Астрономия. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/ Б.А.Воронцов-Вельяминов, Е.К.Страут. - М.: Дрофа,2002.

- Левитан Е.П. Астрономия: Учеб. для 11 кл.. общеобразоват. учреждений – М.: Просвещение, 2001.

- Засов А.В., Кононович Э.В. Астрономия: Учеб. для 11 кл.. общеобразоват. учреждений – М.: Просвещение, 2000.