Астрономия как наука в системе современного естествознания и её влияние на развитие других наук

Различие между астрономией и космологией

1. Космология — это наука о Вселенной как едином целом, астрономия же изучает лишь звёздные тела.
2. Астрономия возникла у древних людей намного раньше, они ориентировались только по звёздам, поклонялись древним богам и т. д.
3. Космология объединяет знания из астрофизики, физики, философии, геологии, космогонии и астрономии.
4. В космологии ученые не привязывают свои теории к конкретным планетам, а трактуют их как бы обобщенно.
5. Астрономия не полагается практически ни на один закон физики, в то время как в основе космологии лежат многие физические утверждения.
6. Космология, в отличие от астрологии, не относится к строгим наукам. Ряд её предположений не несет никакого практического подтверждения.
7. Астрономия включает в себя наблюдения за космическими явлениями, в то время как космология находит объяснения для каждого из них.

Однако даже на сегодняшний день многие ученые считают, что космология является частью астрономии и не относят её к отдельным направлениям.

В современной науке сделано много открытий, которые позволяют расширить знания о нашей Вселенной. Некоторые из теорий подтверждены учеными мира экспериментально. Однако остается ещё много задач, которые требует тщательного изучения и материальной базы. Даже сегодня не существует единого мнения, что собой представляет Вселенная, из какого вещества она состоит. Это и является одним из заданий учёных в области не только космологии, но и сопутствующих ей наук. Знания об окружающем нас мире растут в геометрической прогрессии, но наряду с ними появляется все больше дополнительных вопросов. Для космологии это можно считать нормальным путём развития и становления как отдельной науки.

В нашей галактике может существовать 500 миллионов планет, пригодных для жизни

Ученые, ищущие внеземную жизнь, сосредотачиваются на «планетах Златовласки» – это планеты, которые попадают в обитаемую зону звезды. Планета Земля, по-видимому, имеет совершенно уникальные правильные условия для существования жизни. Расстояние расположения планеты от Солнца означает идеальную температуру , в которой вода может существовать как жидкое, твердое и газообразное вещество, а также на нашей планете присутствует верное сочетание химических соединений, доступных для создания сложных форм жизни. Другие планеты, которые, как считается, имеют сходные черты, известны как «планеты Златовласки».

В одном только Млечном Пути насчитывается около 500 миллионов потенциальных таких планет, поэтому, если жизнь может существовать в других местах, кроме Земли, имеется огромное количество потенциальных планет, на которых она могла бы процветать. Если эти числа применить ко всем галактикам во Вселенной, то может существовать ошеломляющее разнообразие планет, способных поддерживать жизнь. Конечно, у нас нет доказательств, что жизнь существует где-то еще, но если она существует, то есть много мест, где она может появиться и развиваться.

Необходимые программы и софт

Современный технологии позволяют значительно облегчить многотрудные будни астрономов. Новички же просто обязаны установить себе некоторые софты.

Лидерские позиции в списке необходимых программ занимает Stellarium — планетарий, позволяющий после ввода координат увидеть реалистичную модель неба, словно вы наблюдаете в телескоп на улице.

Для iOS и Android разработано приложение Star Walk 2 с прогнозом основных событий в мире астрономии. При наведении смартфона с цифровым компасом на небо программа покажет точное расположение астрообъектов в режиме реального времени.

Cartes du Ciel — работа с картами звездного неба. WorldWide Telescope дает возможность получить данные с нескольких телескопов, например Hubble, Spitzer, Chandra, Gemini, работает с 3D-моделями. В мир виртуальной астрономии окунет Starry Night Enthusiast, а TheSkyX Student поможет работать с картами и диаграммами Герцшпрунга — Рассела.

Обрабатывать астрофотографии помогут приложения IRIS (входит в топ самых мощных приложений своего сегмента), DeepSkyStacker, IzmCCD, Audela. Полезными помощниками станут астрокалендари и генераторы эфемерид: Астрономический календарь 4.0, EmapWin визуализируют солнечные затмения, AstroCalc вычисляет эфемериды планет.

Вселенная расширяется

Еще одним следствием ОТО было предсказание, что Вселенная находится в постоянном состоянии расширения или сжатия. К 1927-1929 гг. Бельгийский физик (и священник римско-католической церкви) Жорж Лемэтр и американский астроном Эдвин Хаббл подтвердили, что это было первое.

В то время Эйнштейн все еще искал способ рационализировать идею статической Вселенной. С этой целью он предложил « космологическую постоянную », которая была еще не обнаруженной силой, которая «сдерживала гравитацию», чтобы гарантировать равномерное распределение материи в космосе во времени.

Используя измерения красного смещения других галактик, Хаббл доказал, что Эйнштейн ошибался. Эти измерения показали, что свет, исходящий от этих галактик, имел укороченную длину волны, то есть был смещен к красному краю спектра, что указывало на расширение промежуточного пространства.

Наблюдения Хаббла также показали, что галактики, которые находились дальше всего от нашей, удалялись быстрее. Это явление стало известно как закон Хаббла , а скорость, с которой это происходило, стала известна как постоянная Хаббла .

В 1931 году Жорж Леметр использовал явления, которые он совместно открыл, чтобы сформулировать идею о том, что у Вселенной есть начало. После независимого подтверждения того, что Вселенная расширяется, он предположил, что она становится тем меньше, чем дальше во времени можно смотреть.

Он рассуждал, что в какой-то момент в прошлом вся масса Вселенной была бы сосредоточена в одной точке. Эти открытия вызвали дискуссию между физиками, которые разделились на две школы.

Большинство по-прежнему выступало за то, чтобы Вселенная находилась в стационарном состоянии (то есть в теории устойчивого состояния ), когда материя непрерывно создается по мере расширения Вселенной, обеспечивая тем самым однородность во времени.

С другой стороны, были те, кто считал, что Вселенная постепенно расширяется, и в результате плотность материи медленно уменьшается. Эта идея стала известна как « теория большого взрыва », прозвище, которое было шутливо присвоено сторонниками теории устойчивого состояния.

Спустя несколько десятилетий появилось несколько свидетельств в пользу интерпретации Большого взрыва. Это включало открытие и подтверждение космического микроволнового фона (CMB) в 1965 году, который был предсказан теорией большого взрыва.

CMB — это, по сути, «реликтовое излучение», оставшееся после Большого взрыва, которое с тех пор расширяется со скоростью света. Измеряя расстояние до реликтового излучения, которое составляет около 13,8 миллиарда лет во всех направлениях, ученые смогли установить ограничения на возраст Вселенной.

К 1990-м годам усовершенствования наземных телескопов и появление космических телескопов привели к новым поразительным открытиям. Ученые полагали, что гравитация в конечном итоге замедлит расширение Вселенной. Однако  теперь астрономы заметили, что за последние четыре миллиарда лет космическое расширение фактически ускорилось.

Это породило теорию Темной Энергии , таинственной силы, которая каким-то образом работает против гравитации и раздвигает космос дальше друг от друга. Теоретики придумали разные объяснения Темной Материи. Некоторые предполагали, что «космологическая постоянная» Эйнштейна с самого начала могла быть правильной. Другие предположили, что теория гравитации Эйнштейна неверна, и что нужна новая теория, включающая какое-то поле, создающее это космическое ускорение.

Одна из ведущих космологических теорий сегодня описывается Лямбда Холодной Темной Материей (λCDM). В настоящее время это простейшая модель, которая объясняет большинство наблюдаемых свойств Вселенной. В нем говорится, что большая часть Вселенной состоит из темной энергии, темной материи и обычной материи и также упоминается как стандартная модель космологии Большого взрыва. Он предполагает, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации в космологических масштабах и учитывает многие свойства космоса, включая космический микроволновый фон и ускорение расширения Вселенной.

Ссылки

1. Калифорния, США. (2002). Калифорнийский университет. Получено из Введение в телескопы: earthguide.ucsd.edu.
2. Daily, С. (2016). Science Daily. Получено из Astronomy: sciencedaily.com
3. Нафф, К. Ф. (2006). Астрономия. Гринхейвен Пресс.
4. Физика, С. о. (2015). Школа физики. Получено с сайта About the Disciplines: Physics.gmu.edu.
5. Редд, Н. Т. (6 июня 2012 г.). com. Получено из Что такое астрономия? Определение и история: space.com.
6. Редд, Н. Т. (7 июня 2012 г.). com. Получено из того, что такое космология? Определение и история: space.com.
7. Захария, Н. (2010). Scholarpedia. Получено из Astrometry: scholarpedia.org.

Так чего мы не знаем?

Ответ на этот вопрос: действительно, очень много! Однако, чтобы ответить на него эффективно, нам нужно взглянуть на то, как ученые изучают Вселенную сверху вниз, и обратить внимание на то, где лежат пробелы. Во-первых, ученые понимают, как материя, время и пространство ведут себя в самых больших масштабах

Лучше всего это можно описать с помощью ОТО, которая точно описывает, как масса и гравитация связаны и влияют на пространство-время

Во-первых, ученые понимают, как материя, время и пространство ведут себя в самых больших масштабах. Лучше всего это можно описать с помощью ОТО, которая точно описывает, как масса и гравитация связаны и влияют на пространство-время.

Однако с 1960-х годов астрофизики пришли к выводу, что существует множество масс, которые они не могут увидеть. Хотя теоретически это имеет смысл, попытки найти Темную Материю до сих пор не дали никаких убедительных результатов.

Таким образом, хотя вы могли бы сказать, что мы знаем, сколько существует материи, мы не можем окончательно объяснить большую ее часть. Точно так же мы знали, что Вселенная находится в состоянии расширения с конца 1920-х годов. Однако мы не знаем, почему именно.

Скорость расширения Вселенной можно объяснить присутствием Темной Энергии. Но, как и в случае с Темной Материей, расследованиям еще предстоит определить, что это на самом деле.

И есть размер самой Вселенной. С открытием реликтового излучения астрономы и космологи смогли проследить эволюцию космоса и точно оценить его возраст. По текущим оценкам, возраст космоса составляет 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.

Но насколько он велик? Это остается загадкой. Основываясь на скорости космического расширения, астрофизики подсчитали, что «наблюдаемая» Вселенная представляет собой сферу размером около 93 миллиардов световых лет в поперечнике. Однако помимо этого Вселенная, вероятно, простирается намного дальше и даже может быть бесконечной.

С другой стороны, ученые определили, что существуют четыре фундаментальные силы (также известные как фундаментальные взаимодействия), которые управляют всеми взаимодействиями материи и энергии во Вселенной.

Эти силы состоят из гравитационной силы (которая приписывается кривизне пространства-времени и описывается ОТО) и трех дискретных полей квантовой механики — вместе известных как квантовая теория поля (КТП).

Эти поля включают слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и электромагнетизм, которые имеют дело с субатомными частицами и их взаимодействиями, как описано в Стандартной модели физики элементарных частиц.

Другой способ взглянуть на это — сгруппировать эти взаимодействия в систему из трех категорий: гравитация, электрослабые силы и сильные силы. Эти две последние категории подразделяются на слабые ядерные и электромагнитные взаимодействия, а также на фундаментальные и остаточные ядерные силы.

В то время как гравитация связывает вместе планеты, звезды, галактики и скопления галактик (то есть макроуровень), электрослабые силы связывают атомы и молекулы, в то время как сильные силы связывают адроны и атомные ядра.

Вот в чем проблема. Ученые понимают, как гравитация работает в самых больших масштабах, но не в самых маленьких. Это отличает его от всех других известных сил во Вселенной, которым соответствует субатомная молекула.

Для электричества и магнетизма есть электроны и фотоны. Для слабых и сильных ядерных взаимодействий существуют бозоны, глюоны и мезоны. Однако в настоящее время не существует такой вещи, как «гравитон», по крайней мере, за пределами гипотетического.

И до сих пор все попытки найти убедительную теорию квантовой гравитации — ака. Теория Всего (ToE) — потерпели неудачу. Было предложено несколько теорий, чтобы решить эту проблему — главными претендентами являются теория струн и петлевая квантовая гравитация, но ни одна из них еще не была окончательно доказана.

Разделы астрономии

Астрономия включает несколько более узких разделов:

1. Космология: изучает Вселенную, образование, состав, развитие.
2. Космогония: изучает космические тела — звёзды, галактики и т. д.
3. Астрофизика: изучает уже небесные тела и атмосферу (не только Земли, но и других планет).
4. Небесная механика: изучает небесные тела с помощью законов механики.
5. Астрометрия: измеряет расположение космических тел в пространстве, изучает изменение их положения.
6. Галактическая и внегалактическая астрономия: первый раздел изучает только одну галактику — Млечный путь, второй — другие галактики; и другие разделы.

Читайте подробнее про Галактику.

Почему нужны космические исследования

Защита от астероидов

По словам астрономов, занимающихся изучением небесных тел, возможность столкновения Земли с астероидом велика. По их расчетам, раз в 10 тыс. лет такая вероятность может настичь нашу планету.

Небесное тело в виде астероида представляет серьезную угрозу для человечества. Если предположить, что его размеры будут равны габаритам футбольного поля, тогда после столкновения возникнут необратимые последствия. Такая катастрофа приведет к гибели людей на планете. С нами произойдет то, что случилось с динозаврами — вымирание. Поэтому ученые постоянно отслеживают движение астероидов в космическом пространстве. Это позволит сбить такое тело еще на подлете к планете. Конечно, придется использовать ядерные технологии. По крайней мере, мощного заряда хватит, чтобы опасный астероид изменил свою траекторию движения.

Если с Землей столкнется какое-нибудь космическое тело диаметром в 100 м, тогда на планете образуется огромная пылевая буря и погибнут леса. Выжившие люди будут обречены на голод. Поэтому существует большая вероятность полного уничтожения человечества.

Космическое сырье

Количество ценных металлов на Земле ежегодно уменьшается. Поэтому людям в будущем рано или поздно придется добывать полезные ископаемые на других планетах. Однако для достижения поставленных задач обязательно нужно будет использовать новые технологии. С их помощью придется создать космических корабли, способные доставлять на другие планеты хотя бы роботизированное оборудование, а в обратном направлении — золото, платину, серебро и так далее.

Для обеспечения транспортировки техники и сырья на дальние расстояния не подойдут двигатели, используемые в настоящее время. Поэтому космические исследования 21 века ведутся в области ядерных технологий. Они, возможно, позволят создать действительно эффективный ядерный двигатель, с помощью которого существенно сократится время перелета между космическими телами.

Развитие медицины

Исследования в области космоса повлияли на появление большого количества медицинских препаратов, использующихся непосредственно на Земле. Особенно много было сделано открытий в области лекарств, помогающих в борьбе против рака. Был также разработан новый способ введения препарата в раковую опухоль. Кроме того, такие исследования помогли изобрести специальную механическую руку-манипулятор, которая осуществляет очень сложные действия внутри томографов.

Изучение космоса также способствовало изобретению лекарства от остеопороза. Оно не только лечит данное заболевание, но и позволяет проводить эффективную профилактику. Появлению способствовала разработка средств, благодаря которым космонавты защищаются от потери мышечной и костной массы, когда на них не действует гравитация. Тестирование изобретенных препаратов проводилось в космосе, так как человек в таких условиях теряет за один месяц примерно полтора процента костной массы.

Колонизация космического пространства

Ученые все чаще делают вывод, что рано или поздно придется заселять другие планеты. К такому заключению они приходят, потому что число людей на Земле постоянно увеличивается. При этом количество ресурсов планеты регулярно уменьшается. В то же время ухудшается экологическая обстановка. Ученые даже выполнили некоторые расчеты и пришли к выводу, что на Земле нормально может существовать максимум 16 миллиардов людей. Однако ухудшение жизни начнется уже в ближайшем будущем, когда нас с вами станет 8 млрд.

Такие прогнозы дали старт программам по изучению космоса. Научные изыскания направлены на изучение возможности межпланетных путешествий. Одной из рассматриваемых планет является Марс, на котором, предполагается, ранее уже существовала жизнь. К этому космическому телу регулярно запускаются зонды. На его поверхности уже работает марсоход. Он не только делает снимки поверхности планеты, но и изучает ее атмосферу и грунт.

Связь и другие технологии

Большинство технологий, применяемых в космосе, улучшаются и используются в различных отраслях и на Земле. Например гамма-спектрометры, которые используется для элементного и изотопного анализа безвоздушных тел, таких как Луна и Марс, теперь используются для исследования структурного ослабления старых исторических зданий.

ПЗС, который упоминался выше, также используется в большинстве камер, веб-камер и телефонов. Он работает как специальный датчик для захвата изображений и превращения их в цифровой массив. Эту технологию разработали Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит для получения астрономических изображений. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии по физике в 2009 году.

Конечно, астрономия не имеет большого значения для каждого конкретного человека. Но наше любопытство дает нам большие прорывы в технологиях, предназначенных для Земли.

Астрономия работает над решением загадки о нашем месте в бесконечном космосе…

Понятие космологии с точки зрения науки

Космология — это наука, которая объединяет астрофизику и астрономию. Данные для нее получают путем наблюдения за астрономическими изменениями во Вселенной. Для этого применяются законы относительности, которые были приняты ещё самим Альбертом Эйнштейном. Уже в 20-х годах XX века эта наука была отнесена к классу точных, до этого она считалась частью философских учений. Современная космология на сегодняшний день становится очень популярной. Она объединяет в себе новые открытия в сфере физики, астрономии, астрологии и философии. Последним достижением является так называемая теория Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная меняется в своих размерах из-за высокой плотности и температуры.

Проблемы теории Большого взрыва

Космология — это относительно молодая наука. Она стала существовать отдельно лишь с середины XX века. Её основные доводы экспериментально доказаны благодаря учёным из области астрономии, которые вели наблюдения за нашей Вселенной. Космология — это постоянно развивающаяся наука, она не стоит на месте. Те теоретические данные, которые были выдвинуты несколько десятилетий назад, уже получили экспериментальное подтверждение или опровержение.

Например, во времена учений Эйнштейна и Фридмана плотность Вселенной могла иметь любое значение. Сегодня научно доказано, что эта величина составляет критическое значение р_кр. Таких примеров можно привести огромное количество.

Существует ряд основных проблем космологии, которые остаются актуальными на сегодняшний день:

• плоскость Вселенной;
• горизонт Вселенной (выглядит идентично с разных направлений);
• откуда возникли гравитационные уплотнения, в результате которых образовались галактики;
• из каких именно веществ на самом деле состоит наша Вселенная;
• согласно теории квантовой гравитации космологическая постоянная должна быть выше в 120 раз;
• как между собой согласуются время жизни Вселенной и звезд.