Проект Cosmology@Home

Ддя начала несколько слов о космологии...
Космологией называется раздел астрономии,который изучает всю вселенную в целом.На основании данных астрономии,физики и других наук космологи пытаются представить себе,как устроен весь мир.С первого взгляда может показаться,что космология хочет "объять необъятное",так как человечеству всегда была и будет доступна лишь некоторая часть мира,и невозможно с 100% уверенностью судить по части мира о всём мире в целом.В некоторой степени это так и есть.Каждая космологическая система мира в чём-то ограничена.Никакая из систем не может описать все свойства мира в целом.Она может лишь служить очередной исторической ступенькой в познании человечеством природы.История космологии переполнена различными системами мира,в которых, в лучшем случае,отражается лишь часть истины.Однако,в истории космологии чётко прослеживается общее направление на усовершенствование моделей мира,признание неисчерпаемости познаний природы и её бесконечности...
Рассмотрим некоторые из космологических моделей,постепенно переходя от далёкой древности к современным представлениям о строении мира.
В древнеиндийской книге,которая называется «Ригведа»,что значит «Книга гимнов»,можно найти описание - одно из самых первых в истории человечества - всей Вселенной как единого целого.Согласно «Ригведе»,она устроена не слишком сложно.В ней имеется Земля,которая представляется безграничной плоской поверхностью - «обширным пространством».Эта поверхность покрыта сверху небом.А небо - это голубой, усеянный звездами «свод».Между небом и Землей - «светящийся воздух». От науки это было очень далеко.Но важно здесь другое.Замечательна и грандиозна сама дерзкая цель - объять мыслью всю Вселенную.Отсюда берет истоки уверенность в том,что человеческий разум способен осмыслить,понять,разгадать ее устрой-ство,создать в своем воображении полную картину мира.
В Вавилоне сложились взгляды,согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова,окруженного океаном.Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых».Небо - это твердый купол,опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод.На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги.Солнце восходит утром, выходя из восточных ворот,и заходит через западные ворота,а ночью оно движется под Землей.
Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины,вытянутой с севера на юг,в центре ее находится Египет.Небо уподоблялось большой железной крыше,которая поддерживается на столбах,на ней в виде светильников подвешены звезды.
В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника,над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный дракон будто бы согнул центральный столб,вследствие чего Земля наклонилась к востоку.Поэтому все реки в Китае текут на восток.Небо же на-клонилось на запад,поэтому все небесные светила движутся с востока на запад.
Только в греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония),на юге Италии и в Сицилии в четвертом веке до нашей эры началось бурное развитие науки,в частности,философии,как учения о природе.Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления,разгадать их истинные причины.Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский (ок. 530 - 470 гг. до н. э.).Это ему принадлежат слова:«Мир,единый из всего,не создан никем из богов и никем из людей, а был,есть и будет вечно живым огнем,законо-мерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...»Тогда же Пифагор Самосский (ок. 580 - 500 гг. до н. э.) высказал мысль о том,что Земля,как и другие небесные тела,имеет форму шара.Вселенная представляласьПифагору в виде концентрических,вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер,к которым будто бы прикреплены планеты.В центре мира в этой модели помещаласьЗемля,вокруг нее вращались сферы Луны,Меркурия,Венеры,Солнца,Марса,Юпитера и Сатурна.Дальше всех находилась сфера неподвижных звезд.
Первую теорию строения мира,объясняющую прямое и попятное движение планет,создал греческий философ Евдокс Книдский (ок. 408 - 355 гг. до н. э.). Он предложил, что у каждой планеты имеется не одна,а несколько сфер,скрепленных друг с другом.Одна из них совершает один оборот в сутки вокруг оси небесной сферы по на-правлению с востока на запад.Время обращения другой (в обратную сторону) предпо-лагалось равным периоду обращения планеты.Тем самым объяснялось движение планеты вдоль эклиптики.При этом предполагалось, что ось второй сферы наклонена к оси первой под определенным углом.Комбинация с этими сферами еще двух позволяла объяснить попятное движение по отношению к эклиптике.Все особенности движения Солнца и Луны объяснялось с помощью трех сфер.Звезды Евдокс разместил на одной сфере, вмещающей в себя все остальные.Таким образом, все видимое движение небесных светил Евдокс свел к вращению 27 сфер.
Представление о равномерном, круговом, совершенно правильном движении небесных тел высказал философ Платон.Платон ставил задачу построить геометрическую модель мира,в центре которой,должна была находиться Земля.
Усовершенствованием системы мира Евдокса занялся ученик Платона Аристотель(384 - 322 гг. до н.э.).Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии,а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты.По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли.Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира. Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется «...вращательно,около своей оси, наподобие колеса,с запада на восток вокруг собственного центра».Он высказал также мысль,что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями,в центре которых находится Солнце.Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (ок. 310 - 230 гг. до н. э.),который говорил что «...мир имеет форму шара.... неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве,Земля движется по окружности вокруг Солнца...».
Становление астрономии как точной науки началось благодаря работам выдающегося греческого ученого Гиппарха.Он первый начал систематические астрономические наблюдения и их всесторонний математический анализ,заложил основы сферической астрономии и тригонометрии,разработал теорию движения Солнца и Луны и на ее основе - методы предвычисления затмений.Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались от мнимых хрустальных сфер,предположенных Евдоксом,и перешли к более сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов, предложенных еще до Гиппарха Аполлоном Пергским.Классическую форму теории эпициклических движений придал Клавдий Птолемей.Главное сочинение Птолемея «Математический синтаксис в 13 книгах» или,как его назвали позже арабы,«Альмагест»(«Величайшее») стал известным в средневековой Европе лишь в XII в. В 1515 г. он был напечатан на латинском языке в переводе с арабского,а в 1528 г. в переводе с греческого. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке,в 1912 г. он издан на немецком языке.«Альмагест» - это настоящая энциклопедия античной астрономии.В этой книге Птолемей сделал то,что не удавалось сделать ни одному из его предшественников.Он разработал метод,пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты на любой наперед заданный момент времени.«Установив» Землю в центре мира, Птолемей представил видимое сложное и неравномерное движение каждой планеты как сумму нескольких простых равномерных круговых движений. Согласно Птолемею каждая планета движется равномерно по малому кругу - эпициклу.Центр эпицикла в свою очередь равномерно скользит по окружности большого круга,названого деферентом. Основные параметры своей модели мира Птолемей определил в высшей степени искусно и с высокой точностью.Со временем,однако,астрономы начали убеждаться в том,что между истинным положением планеты на небе и расчетным существуют рас-хождения. Так,в начале 12 века планета Марс оказалась на два градуса в стороне от того места,где ей надлежало быть по таблицам Птолемея. Чтобы объяснить все особенности движения планет на небе, приходилось вводить для каждой из них до десяти и более эпициклов со всё уменьшающимися радиусами так,чтобы центр меньшего эпицикла обращался по кругу большего.К 16 веку движение Солнца,Луны и пяти планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов!И всё же наблюдения,разделённые большими промежутками времени,было трудно «подогнать» под эту схему. Приходилось вводить новые эпициклы,несколько изменять их радиусы, смещать центры деферентов по отношению к центру Земли.В конечном итоге геоцентрическая система Птолемея,перегруженная эпициклами и эквантами,рухнула от собственной тяжести...
То,что за "сферой неподвижных звёзд" располагается эмпирей,или "жилище блаженных",было в средневековье почти всеобщим убеждением.Тем удивительнее,что в конце средневековья немецкий кардинал Николай Кузанский (1401 - 1464) смело отверг "хрустальные сферы" древних и в своих многочисленных учениях говорил о бесконечности Вселенной.Кроме того он допускал движение Земли в пространстве и даже многочисленность обитаемых миров.Очевидно,что лишь его высокое положение в католической церкви спасло его от преследований и он не разделил трагическую участь Джордано Бруно.
Книга Коперника,вышедшая в год его смерти,в 1543 году, носила скромное название:«О вращении небесных сфер».Но это было полное ниспровержение Аристотеля взгляда на мир.Сложная махина полых прозрачных хрустальных сфер отошла в прошлое.С этого времени началась новая эпоха в нашем понимании Вселенной.Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положе-ние в центре планетной системы.Земля же никакой не центр мира,а одна из рядовых планет,обращающихся вокруг Солнца.Это и есть мир по Копернику.Далекие звезды Коперник оставил на прежнем месте,на дальней сфере,где были они у Аристотеля,и говорил,что расстояние до звезд во множество раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые,он представлял Вселенную замкнутым пространством,ограниченным этой сферой.Одним из возражений против гелиоцентризма в XVI—XVII вв. считалось отсутствие годичных параллаксов звёзд.Для объяснения этого противоречия Коперник (как ранее Аристарх) предполагал,что орбита Земли является точкой по сравнению с расстояниями до звёзд.Коперник считал Вселенную неопределённо большой,но, по-видимому,конечной;Солнце располагалось в её в центре.Первым,кто в рамках гелиоцентризма перешёл к мнению о бесконечности Вселенной,был английский астроном Томас Диггес;он полагал,что за пределами Солнечной системы Вселенная равномерно заполнена звёздами,природа которых не конкретизировалась.Аналогичного мнения придерживался его соотечественник Вильям Гильберт.Вселенная,по Диггесу,имела неоднородную структуру,Солнце оставалось в центре мира.Решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной,равномерно заполненной звёздами,сделал итальянский философ Джордано Бруно.Из всех мыслителей Нового Времени он первым предположил,что звёзды — это далёкие солнца.
Эти предположения по устройству мира были дополнены Исааком Ньютоном (1643 - 1727) тремя законами названными в последствии в его честь и законом всемирного тяготения.Ньютон дал достаточно полную теорию движения небесных тел,тем самым создав основы небесной механики.Кроме того Ньютон считал Вселенную бесконечной в пространстве и во времени.
Некоторое время небо Ньютоновской космологии было безоблачным,но в 19 веке обнаружились три парадокса,которые немогла объяснить "ньютоновская" космология и они,на первый взгляд,подрывали представления о бесконечности вселенной.Парадокс Ольберса - Шезо (назван по именам астрономов впервые его сформулировавших) или фотометрический парадокс - состоит в том,чтоесли Вселенная бесконечна и звёзды в ней распределены более и менее равномерно,то в любом направлении мы должны видеть какую-нибудь звезду.Это привело бы к тому,что фон неба был бы ослепительно ярким,как Солнце,чего в действительности не наблюдается.
Гравитационный парадокс был высказан немецким астрономом Зеелигером в 1895году состоял в том,что если Вселенная бесконечна и звёзды равномерно занимают её пространство,то сила тяготения в каждой точке пространства должна быть бесконечно велика,и,следовательно,бесконечно большими должны быть относительные ускорения космических тел,что также не наблюдается.
В 1850году немецкий физик Рудольф Клазиус высказал термодинамический парадокс,который впоследствии был развит английским физиком Томсоном (лорд Кельвин).Этот парадокс состоял в том,что по второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счёте сводятся к выделению теплоты,которая необратимо рассеивается.В конце концов все тела остынут до температуры абсолютного нуля,движение прекратится даже на уровне молекул и атомов и наступит "тепловая смерть".Иными словами Вселенная не вечна : она имела своё начало,но её ждёт неизбежный конец.
Все попытки их современников опровергнуть эти парадоксы не увенчались успехом.Лишь с началом 20 столетия удалось найти на них ответы.Этому послужило опубликование Альбертом Эйнштейном основ общей теории относительности в 1916г,а в 1917г Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна,знаменующая зарождение современной космологии),ввёл космологическую постоянную Λ.(Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок;уже в наше время выяснилось,что Λ-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной).В том же году В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях». В 1922 — советский математик и геофизик А.А.Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной(нестационарная космологическая модель,известная как решение Фридмана).Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое,то придётся заключить,что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт.Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера,то у Фридмана возникло предположение о том,что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.Эти теоретические изыскания были подтверждены 17 января 1929 — в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла,называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей».Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.Большое значение в развитии теории Большого взрыва имело открытие американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном космического фона излучения и измерение его температуры: она оказалась равной 3 К(как и было предсказано теорией).В настоящее время это излучение носит название реликтового.Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949(сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении вселенной).Он сказал:«Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».На русский язык Big Bang можно перевести и как «Большой хлопок»,что,вероятно,точнее соответствует уничижительному смыслу,который вложил в него Хойл.Однако после того,как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.

По современным представлениям теории Большого взрыва,наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,2 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии,температурой и давлением.В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы,аналогичные конденсации жидкости из газа,но применительно к элементарным частицам.Приблизительно после 10−35 секунд после наступления Планковской Эпохи(Планковское время 10−43 секунд после Большого Взрыва. В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной.Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму.По прошествии времени,температура упала до значений,при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом.На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как — протоны и нейтроны.При этом,одновременно происходило асимметричное образование как материи,которая превалировала,так и антиматерии,которые взаимно аннигилировали,превращаясь в излучение.Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме.После чего наступила эпоха нуклеосинтеза,при которой протоны,объединяясь с нейтронами,образовали ядра дейтерия,гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов.После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько,что стало возможным существование атомов водорода(до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения,которое,свободно распространяясь в пространстве дошло до нас в виде реликтового излучения.Звёзды и галактики появляются во Вселенной спустя примерно миллиард лет и тогда Вселенная уже мало чем отличается от современной.Таково в общих чертах прошлое Вселенной по теории Большого взрыва.
Что нас ждёт в будующем?Ответ на этот вопрос сегодня предлагает два сценария,развитие которых зависит от средней плотности вещества Вселенной.Если она больше некоторого критического значения,то расширение через несколько десятков миллиардов лет перейдёт в сжатие и возвращение в новое сингулярное состояние(возможно,что после этого снова будет большой взрыв,более того,возможно,что Вселенная уже испытала много таких циклов "расширение-сжатие-расширение").При плотности равной или большей некоторой критической плотности Вселенная будет неограниченно расширятся.На данный момент этот вопрос окончательно не решён.
До сих пор речь шла о том,как устроена наша Вселенная.Но можно задать и другой вопрос : почему она такова,какова она есть?Для этого необходимо построить модель Вселенной которая максимально отвечала тему,что происходит во Вселенной сегодня(по доступным нам результатам наблюдений).Именно этим и занимается проект Cosmology@home.Все взаимодействия в мире в конечном счёте зависят от численного значения так называемых мировых констант.Это постоянная тяготения,заряд электрона,точные значения масс элементарных частиц,постоянная Планка,универсальная газовая постоянная и многие другие...Оказывается облик космоса,структура мироздания,определяется именно этими физическими постоянными.Зависит он и от набора частиц возникавших после Большого взрыва.Пожалуй это самая главная задача современной космологии и проект Cosmology@home поставил целью решить её.Все модели вселенных,которые будут найдены в ходе поиска похожих на нашу также имеют большое научное значение,так как по современным представлениям наша Вселенная в мире не одна - их существует бесконечное множество,а то что происходит в нашей Вселенной - лишь незначительный эпизод в жизни бесконечного и вечного мира...По представлениям современной науки,физический вакуум - это не пустота.Это некая сущность с минимальной внутренней энергией.Она способна порождать не только частицы,но и миры.Такой процесс называют флуктуацией - случайным временным отклонением от некоторого найвероятнейшего состояния.Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают Вселенные с разным набором констант,одной из которых есть наша Вселенная.Таким образом любой набор данных рассчитанных в проекте Cosmology@home имеет научное значение,так как такая вселенная,пусть и не похожая на нашу возможно существовала ранее,может существует сейчас или когда-то возникнет.
Вот такие грандиозные задачи ставит перед собой проект Cosmology@home.
Проект развивается исследовательской группой учёных под руководством Бена Вандельта - профессора с кафедры физики и астрономии в Иллинойском университете. Цель Cosmology@home состоит в том, чтобы найти модель, которая лучше всего описывает нашу Вселенную,а также диапазон моделей,которые согласуются с современными астрономическими данными и данными физики элементарных частиц. Для этого рассчитываются миллионы теоретических моделей Вселенной с различными комбинациями параметров.Каждый пакет работы моделирует Вселенную со специфической геометрией,определённым содержанием частиц,и "физикой начала",рассматривая каждую теоретическую вселенную с момента Большого Взрыва до наших дней. Это позволит предсказать и объяснить наблюдаемые свойства Вселенной,такие как колебанния в космическом микроволновом фоне (наблюдаемые спутником WMAP, а в скором будующем спутником "Макс Планк"),крупномасштабное распределение галактик и групп галактик во Вселенной,величину текущей скорости расширения Вселенной (по данным орбитального телескопа "Хаббл"),ускорение Вселенной по результатам измерений наблюдаемах взрывов сверхновых звёзд,распространённость различных химических элементов в удалённых газовых облаках.Кроме этого проект будет способствовать более глубокого понимания ранних стадий возникновения Вселенной, так называемых космических "тёмных веков" (когда первые звёзды ещё не зародились).В ходе проекта будут решаться задачи адаптации математики, статистики и расчёта применительно к космологии. В качестве дополнительного стимула для участников проекта рассматривается вопрос о премии для владельца компьютера,который рассчитает модель максимально отвечающую нашей Вселенной .Имя этого владельца будет записано в научной работе,которая выйдет в свет по окончанию проекта.
Теперь каждый,кто хочет внести свой вклад в этот проект,может сделать это.Для этого необходимо скачать программу BOINC и подключится к проекту следуя инструкциям BOINCменеджера.Не забудьте также присоеденится к нашей команде Ukraine-Sarny .Просмотреть минимальные требования к вашему компьютеру в этом проекте и другие данные можно в таблице технических данных проектов РВ .Если у вас возникнут вопросы по проекту,то можно обращаться к нам astronom2003@narod.ru.

Copyright © 2007-2010 by the Department of Astronomy at the University of Illinois at Urbana-Champaign
This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. AST0507676 and NASA/JPL under Grant No. 1236748.

***********************************************