Элементы космологии - Рабочая программа дисциплины - 03.04.03. Радиофизика - Направления подготовки

Закреплена за кафедрой	Кафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки	03.04.03. Радиофизика
Профиль	Электромагнитные волны в средах
Форма обучения	Очная
Общая трудоемкость	3 ЗЕТ
Учебный план	03_04_03_ЭМВС-1-2020

Курс (семестр)	2 (3)	Итого
Недель	13
Вид занятий	УП	РПД	УП	РПД
Лекции	18	18	18	18
Лабораторные	12	12	12	12
Сам. работа	51	51	51	51
Часы на контроль	27	27	27	27
Итого	108	108	108	108

1. Цели освоения дисциплины

1.1.	ознакомление с современными теоретическими и экспериментальными методами исследования Вселенной; ознакомление с современными представлениями о строении и эволюции Вселенной; формирование научной картины Мира; приобретение навыков применения Общей теории относительности для решения задач космологии; развитие представлений о принципах решения комплексных проблем, возникающих на стыке разных наук (астрофизики, теории гравитации, статистической физики, квантовой теории поля и физики элементарных частиц).

1.1.

ознакомление с современными теоретическими и экспериментальными методами исследования Вселенной;
ознакомление с современными представлениями о строении и эволюции Вселенной;
формирование научной картины Мира;
приобретение навыков применения Общей теории относительности для решения задач космологии;
развитие представлений о принципах решения комплексных проблем, возникающих на стыке разных наук (астрофизики, теории гравитации, статистической физики, квантовой теории поля и физики элементарных частиц).

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.02

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-1	способностью использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики
ПК-2	способностью самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.	Знать:
3.1.1.	строение и современное состояние Вселенной; теоретические и экспериментальные методы космологии; принципы решения комплексных проблем, возникающих на стыке разных наук (астрофизики, теории гравитации, статистической физики, квантовой теории поля и физики элементарных частиц)
3.2.	Уметь:
3.2.1.	обосновать строение, современное состояние Вселенной, особенности этапов её эволюции с помощью теоретических и экспериментальных методов космологии
3.3.	Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.	навыками решения уравнений Общей теории относительности и, в частности, космологических уравнений

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия	Наименование разделов и тем	Вид занятия	Семестр	Часов	Компетенции	Литература
Раздел 1. Основы Общей теории относительности
1.1.	Принцип эквивалентности инерции и тяготения. Геометрический подход к построению теории гравитации. Метрический тензор, символы Кристоффеля, абсолютный дифференциал и ковариантная производная; лемма Риччи. Геодезические линии.	Лекции	3	4	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
1.2.	Основы дифференциальной геометрии и тензорного анализа	Сам. работа	3	2	ПК-1, ПК-2	Л2.3
1.3.	Тензор энергии-импульса, уравнение непрерывности. Тензор Эйнштейна, уравнения Эйнштейна, космологическая постоянная.	Лекции	3	1	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
1.4.	Движение пробных частиц в ОТО. Смещение перигелиев планет. Гравитационное отклонение луча света.	Лабораторные	3	4	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
1.5.	Основы Общей теории относительности	Сам. работа	3	2	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
Раздел 2. Космологические модели
2.1.	Система космологических уравнений.	Сам. работа	3	2	ПК-1, ПК-2	Л1.2, Л2.2
2.2.	Классические космологические модели (Эйнштейна, де Ситтера, Фридмана).	Лекции	3	4	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
2.3.	Классические космологические модели.	Сам. работа	3	8	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
2.4.	Классические космологические модели	Лабораторные	3	4	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
2.5.	Разбегание галактик. Способы измерения параметра Хаббла. Критическая плотность энергии материи. Обоснование существования темной материи. Ускоренное расширение Вселенной и темная энергия.	Лекции	3	3	ПК-1, ПК-2	Л2.1, Л1.2, Л2.2
2.6.	Реалистичная ΛCDM-модель.	Лабораторные	3	2	ПК-1, ПК-2
2.7.	Современные космологические модели. ΛCDM-модель. Модель квинтэссенции. "Большой разрыв".	Сам. работа	3	5	ПК-1, ПК-2	Л2.3
2.8.	Основные понятия теории суперструн и квантовой гравитации.	Сам. работа	3	4	ПК-1, ПК-2
Раздел 3. Раздувание Вселенной (инфляция)
3.1.	Трудности стандартных космологических моделей. Раздувание Вселенной (инфляция). Математическая модель скалярного поля, оценка продолжительности инфляции.	Лекции	3	2	ПК-1, ПК-2	Л2.2
3.2.	Модели стадии инфляции.	Сам. работа	3	4	ПК-1, ПК-2	Л2.4, Л2.2
Раздел 4. Этапы эволюции Вселенной
4.1.	Основные этапы эволюции Вселенной после окончания инфляции. Барионная асимметрия Вселенной. Образование гелия. Разделение вещества и излучения. Синтез тяжелых элементов. Реликтовое излучение.	Лекции	3	2	ПК-1, ПК-2	Л2.4, Л1.2, Л2.2
4.2.	Модель горячей Вселенной	Сам. работа	3	8	ПК-1, ПК-2	Л1.2, Л2.2
4.3.	Модель горячей Вселенной. Прозрачность Вселенной для излучения после рекомбинации атомов.	Лабораторные	3	2	ПК-1, ПК-2	Л1.2, Л2.2
4.4.	Современные исследования анизотропии реликтового излучения.	Лекции	3	2	ПК-1, ПК-2	Л2.4, Л1.2, Л2.2, Л1.1
4.5.	Формирование звезд и галактик.	Сам. работа	3	8	ПК-1, ПК-2	Л1.2, Л2.2
4.6.	Строение Вселенной и основные этапы ее эволюции	Сам. работа	3	8	ПК-1, ПК-2	Л1.2, Л2.2
Раздел 5. Экзамен
5.1.		Экзамен	3	27	ПК-1, ПК-2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Перечень вопросов

1. Из истории космологии. Представления о Вселенной: К. Птолемей, Н. Коперник, Дж. Бруно. Астрономия начала XX века. Общая теория относительности. А. Фридман, Э. Хаббл, Г. Гамов, А. Пензиас и Р. Вильсон. Анизотропия реликтового излучения. Темная материя. Ускоренное расширение Вселенной, темная энергия. Связь космологии и физики элементарных частиц.
2. Предыстория создания ОТО. Эйлер, Гаусс: понятие о внутренней геометрии поверхностей. Риман: искривлённые пространства. Галилей: закон свободного падения тел, попытка объяснения, точка зрения Ньютона; Риман: попытка объяснения; Эйнштейн - объяснение. Наблюдения и рассуждения, лежащие в основе ОТО: принцип локальной эквивалентности инерции и гравитации;рассуждение, показывающее, что гравитация заключается в искривлении пространства-времени; принцип общей ковариантности; интервал в искривлённом пространстве-времени, его инвариантность.
3. Тензоры: Тензоры нулевого, 1-го, 2-го рангов. Контравариантные и ковариантные компоненты. Теоремы о частном. Метрический тензор. Примеры скаляров. Ковариантная производная. Уравнение свободного движения пробной частицы. Уравнение непрерывности для тензора плотности энергии-импульса.
4. Тензор кривизны: Нормальная кривизна поверхности. Главные кривизны. Теорема Эйлера. Полная кривизна поверхности. Теорема Гаусса. Критерии того, что в рамках внутренней геометрии поверхность является плоской. Тензор Римана, его симметрии, число существенных компонент. Критерии того, что 4-пространство - плоское.
5. Связь метрического тензора с ньютоновским потенциалом в нерелятивистском приближении.
6. Обоснование неточности классической теории тяготения. Обоснование предполагаемого вида уравнения: Gij(x) = k Tij(x). Требования к тензору Gij(x). Тензор Риччи. Лемма Риччи. Ковариантная дивергенция тензора Риччи. Тензор Эйнштейна.
7. Тензор плотности энергии-импульса идеальной жидкости.
8. Переход в уравнении Эйнштейна к классическому пределу, определение постоянной k. Оценка влияния космологической постоянной в Солнечной системе и в Галактике.
9. Модель расширяющейся замкнутой Вселенной (1-я модель Фридмана). Вывод закона расширения a(t) в параметрической форме.
10. Разбегание галактик. Космологическое красное смещение. Способы измерения параметра Хаббла. Хаббловский возраст Вселенной. Критическая плотность энергии материи. Параметр плотности; вклад в него барионной материи, темной материи и темной энергии. Понятие о пространстве отрицательной кривизны и о плоском расширяющемся пространстве.
11. Тензор плотности энергии-импульса вакуума. Уравнение состояния вакуума. Качественный анализ системы космологических уравнений. Вселенные де Ситтера. Стадия инфляции. Ускоренное расширение Вселенной в нашу эпоху.
12. Основные этапы эволюции Вселенной после окончания инфляции. Барионная асимметрия Вселенной. Образование гелия. Разделение вещества и излучения. Синтез тяжелых элементов. Реликтовое излучение.

5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)

Темы рефератов
Современная космология. Литература: Raid D.D., Kittell D.W., Arsznov E.E., Thompson G.B. A view of modern cosmology /Arxiv:astro-ph/0209504v2. – 2002. – 33 pgs.; Trodden M., Carroll S.M. TASI Lectures: Introduction to Cosmology /Arxiv:astro- ph/0401547v1. – 2004. – 82 pgs.; Юрова А. А., Юров А. В. Элементы современной космологии и теории бран: учеб. пособие. – Калининград: Изд-во РГУ, 2005.- 78с.
Космологические параметры. Литераатура: Lahav O., Liddle A.R. The cosmological parameters 2006 / Arxiv:astro-ph/0601168v1. – 2006. – 25 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0601/0601168v2.pdf
Инфляционная космология. Литература: Linde A. Particle physics and inflationary cosmology / arXiv:hep-th/0503203 v1. – 2005. – 270 pgs.; Глинер Э.Б. Раздувающаяся Вселенная и вакуумоподобное состояние физической среды. // Успехи физических наук. – 2002. – Том 172, № 2. – С. 221 – 228.
Анизотропия реликтового излучения. Литература: Нагирнер Д.И. Реликтовый фон и его искажения. СПб.: изд-во СПбГУ, 2002. – 53 с.; Сажин М.В. Анизотропия и поляризация реликтового излучения. Последние данные. // Успехи физических наук. – 2004. – Том 174, № 2. – С. 197 – 205.; Смут Дж.Ф. Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение // Успехи физических наук. – 2007. – Том 177, № 12. – С. 1294 – 1317.
Темная материя. Литература: Лукаш В.Н., Михеева Е.В. Темная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной. // Успехи физических наук. – 2007. – Том 177, № 9. – С. 1023 – 1028.; Рябов В.А., Царев В.А., Цховребов А.М. Поиски частиц темной материи. // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 11. – С. 1129 – 1164.
Темная энергия. Литература: Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 3. – С. 267 – 300; Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 3. – С. 302 – 308.
История теории гравитации. Литература: Бурланков Д.Е. Тяготение и абсолютное пространство. Работы Нильса Бьёрна (1865 – 1909) // Успехи физических наук. – 2004. – Том 174, № 8. – С. 899 – 910; Горелик Г.Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы. // Успехи физических наук. – 2005. – Том 175, № 10. – С. 1093 – 1108.

5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации

Фонд оценочных средств содержится в приложении и в учебно-методическом комплексе

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л1.1	Верходанов О.В., Парийский Ю.Н.	Радиогалактики и космология:	М.: Физматлит // ЭБС "Лань", 2017, 2009	URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=83001
Л1.2	Гриб А.А.	Основные представления современной космологии:	М.: Физматлит // ЭБС "Лань", 2008	e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л2.1	Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.	Теоретическая физика. Том 2: Теория поля: учеб. пособие для вузов	М.: Наука , 1973
Л2.2	Лукаш В.Н., Михеева Е.В.	Физическая космология:	М.: ФИЗМАТЛИТ // ЭБС "Лань", 2012	e.lanbook.com
Л2.3	Бёрке У.	Пространство-время, геометрия, космология:	М.: Мир // ЭБС "Университетская библиотека ONLINE", 2017, 1985	URL: https:// biblioclub.ru/index/php?page=book_red&id=45405&sr=1
Л2.4	Горбунов Д.С., Рубаков В. А.	Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория:	М.: URSS, 2010
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
	Название		Эл. адрес
Э1	Научно-образовательный сайт Института проблем механики РАН: http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/quantum.htm
Э2	Сайт ИЯИ РАН: http://www.inr.ac.ru/~pnlab/library.html
Э3	Сайт «Астронет»: http://www.astronet.ru/; в частности, см. разделы «Книги», «Статьи», «Новости»
Э4	Бескин В.С. Гравитация и астрофизика. М.: Физматлит, 2009. – 158 с. Электронный ресурс: http://e.lanbook.com
Э5	Горбунов Д.С., Рубаков В.А. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. М.: изд-во ЛКИ, 2008. 552с. Электронный ресурс: http://lib.mexmat.ru/books/62805
Э6	Гриб А.А. Основные представления современной космологии. М.: Физматлит, 2008. – 108 с. Электронный ресурс: http://e.lanbook.com
Э7	Архангельская И.В., Розенталь И.Л., Чернин А.Д. Космология и физический вакуум. М.: изд-во КомКнига, 2006. – 216 с. Электронный ресурс: http://lib.mexmat.ru/books/60328
Э8	Барвинский А.О. Космологические браны и макроскопические дополнительные измерения // Успехи физических наук. 2005. – Том 175, № 6. – С. 569 – 601. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2005/6/a/
Э9	Бурланков Д.Е. Тяготение и абсолютное пространство. Работы Нильса Бьёрна (1865 – 1909) // Успехи физических наук. – 2004. – Том 174, № 8. – С. 899 – 910. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2004/8/f/
Э10	Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. – 272 с. Электронный ресурс: http://lib.mexmat.ru/books/7237
Э11	Вейнберг С. Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности. – М: Мир, 1975.- 696с. Электронный ресурс: http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/relativity.htm
Э12	Глинер Э.Б. Раздувающаяся Вселенная и вакуумоподобное состояние физической среды. // Успехи физических наук. – 2002. – Том 172, № 2. – С. 221 – 228. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2002/2/f/
Э13	Горелик Г.Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы. // Успехи физических наук. – 2005. – Том 175, № 10. – С. 1093 – 1108. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2005/10/h/
Э14	Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. – М.: Изд-во МГУ, 1988. – 199 с. Электронный ресурс: http://lib.mexmat.ru/books/5746.
Э15	Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие для вузов: В 10 т. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц; под ред. Л.П. Питаевского. – 8-е изд., стер. – М.: ФИЗМАТЛИТ. Т. II: Теория поля. – 2006. – 536 с. Электронные ресурсы: http://e.lanbook.com; http://lib.mexmat.ru/books/27242.
Э16	Линевивер Ч., Дэвис Т. Парадоксы большого взрыва. // В мире науки. – 2005. - № 7. См. также Davis T. M. Fundamental aspects of the Expansion of the Universe and cosmic horizons / Arxiv:astro-ph/0402278v1. – 2004. – 146 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0402/0402278v1.pdf
Э17	Лукаш В.Н., Михеева Е.В. Темная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной. // Успехи физических наук. – 2007. – Том 177, № 9. – С. 1023 – 1028. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2007/9/h/
Э18	Нагирнер Д.И. Реликтовый фон и его искажения. СПб.: изд-во СПбГУ, 2002. – 53 с. Электронный ресурс: http://lib.mexmat.ru/books/6715
Э19	Нагирнер Д.И. Элементы космологии. СПб.: изд-во СПбГУ, 2001. – 55 с. Электронный ресурс: http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/cosmos.htm
Э20	Новиков И.Д., Кардашев Н.С., Шацкий А.А. Многокомпонентная Вселенная и астрофизика кротовых нор. // Успехи физических наук. – 2007. – Том 177, № 9. – С. 1017 – 1023. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2007/9/g/
Э21	Решетников В.П. Обзоры неба и глубокие поля наземных и космических телескопов. // Успехи физических наук. – 2005. – Том 175, № 11. – С. 1163 – 1183. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2005/11/b/
Э22	Роуэн-Робинсон М. Космология. – М. : Ин-т компьютер. исслед., 2008.- 256с. Электронный ресурс: http://www.astronet.ru/db/msg/1235315 (Список неточностей перевода)
Э23	Рябов В.А., Царев В.А., Цховребов А.М. Поиски частиц темной материи. // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 11. – С. 1129 – 1164. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2008/11/a/
Э24	Сажин М.В. Анизотропия и поляризация реликтового излучения. Последние данные. // Успехи физических наук. – 2004. – Том 174, № 2. – С. 197 – 205. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2004/2/g/
Э25	Смут Дж.Ф. Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение. // Успехи физических наук. – 2007. – Том 177, № 12. – С. 1294 – 1317. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2007/12/d/
Э26	Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 3. – С. 267 – 300. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2008/3/c/
Э27	Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // Успехи физических наук. – 2008. – Том 178, № 3. – С. 302 – 308. Электронный ресурс: http://ufn.ru/ru/articles/2008/3/d/
Э28	Linde A. Particle physics and inflationary cosmology / arXiv:hep-th/0503203 v1. – 2005. – 270 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/hep-th/pdf/0503/0503203v1.pdf
Э29	Lahav O., Liddle A.R. The cosmological parameters 2006 / Arxiv:astro-ph/0601168v1. – 2006. – 25 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0601/0601168v2.pdf
Э30	Linde A. Inflation and String Cosmology / Arxiv:hep-th/0503195v1. – 2005. – 40 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/hep-th/pdf/0503/0503195v1.pdf
Э31	Raid D.D., Kittell D.W., Arsznov E.E., Thompson G.B. A view of modern cosmology /Arxiv:astro-ph/0209504v2. – 2002. – 33 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0209/0209504v2.pdf
Э32	Trodden M., Carroll S.M. TASI Lectures: Introduction to Cosmology /Arxiv:astro- ph/0401547v1. – 2004. – 82 pgs. Электронный ресурс: http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0401/0401547v1.pdf
Э33	Курс в Moodle "Элементы космологии" https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=6894		portal.edu.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Специального программного обеспечения не требуется.
6.4. Перечень информационных справочных систем
Информационных справочных систем не требуется.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория	Назначение	Оборудование
Помещение для самостоятельной работы	помещение для самостоятельной работы обучающихся	Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
Учебная аудитория	для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик	Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Указания общего характера
Чтобы учеба не была пустой тратой времени, необходимо добиваться полной ясности по каждому вопросу. Непонятные моменты нужно отмечать и при случае спрашивать у преподавателя.
К практическим занятиям нужно готовиться: просмотреть конспект лекции по теме занятия, решить задачи, если они были заданы.
Так как почти все темы взаимосвязаны, даже одно пропущенное занятие сильно затрудняет изучение дальнейшего материала. Поэтому нужно посещать все занятия, а в случае пропуска разобраться в пропущенном материале до следующего занятия.
При изучении предмета нужно стремиться к тому, чтобы материал складывался в целостную картину, с единым набором понятий, терминов, методов, уравнений, формул, обозначений. Единство предмета нужно учитывать и при подготовке к сдаче зачета: при поиске (например, в Интернете) вопросов по отдельности получается, как правило, бессвязная картина.
Изучая предмет, нужно прочитать, желательно – полностью, хотя бы один учебник.