Современные космологические модели Вселенной

- 1 -

Негосударственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Восточная экономико-юридическая гуманитарная академия

(Академия ВЭГУ)

Реферат

по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

ТЕМА:

«Современные космологические

модели Вселенной»

УФА 2010

Содержание

Введение

1. Общие принципы астрономии

2. Специфика современной космологии

3. Космологическое расширение. Эффект Доплера. Красное смещение. Закон Э Хаббла

4. Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

5. Масштаб Вселенной

6. Наша галактика

7. Метагалактика

8. Сценарии будущего Вселенной

9. Солнечная система

9.1 Происхождение солнечной системы

9.2 Планеты и их спутники

Заключение

Введение

Всякий, кто способен чувствовать, глядя на небо в ясную ночь, не может не спрашивать себя, откуда берутся звезды, куда они исчезают и что поддерживает порядок во Вселенной. Такого же рода вопросы мы задаем, изучая самоорганизующийся бесконечный мир человеческого организма и заглядывая в восприимчивые и испытующие человеческие глаза, постоянно стремящиеся преодолеть разрыв между двумя этими мирами.

Г. Селье

1. Общие принципы астрономии

Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» - звезда и «номос» - закон) - наука о строении и развитии космических тел и систем. Эта классическая наука в XX - XXI вв. переживает свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений - основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п. В СССР в 1974 г. вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м, собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение и гамма - лучи. Астрономия делится на

Ш небесную механику:

Ш радиоастрономию;

Ш астрофизику и др. дисциплины.

Особое значение в настоящее время приобретает астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. Астрофизика основывается главным образом на наблюдениях.

Один из основных методов астрофизики - спектральный анализ. Если пропустить луч целого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому - непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый - наиболее отклоняемый. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

2. Специфика современной космологии

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры.

Начиная с XIX в. космологические проблемы - не дело веры, а предмет научного познания. Они решаются с помощью научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура вселенной и как она сформировалась. В XX в. был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее, важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.

Современная космология - это сложная, комплексная и быстроразвивающаяся система естественно - научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.

Связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут «следы» тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими «следами» прежде всего, выступают фундаментальные свойства физического мира - три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами.

Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предложения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, предполагается, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения, а современной космологии - релятивистская теория тяготения. Поэтому современную космологию называют релятивистской.

Первым релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространенно бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать «кругосветные» путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную. Нестационарная релятивистская космология.

Возникновение релятивистской космологии было величайшим достижением естествознания XX в. Однако сразу после ее создания выяснилось, что многие ее основополагающие представления и понятия оставались в плену у классической физики, ньютоновской картины мира. Ощущалась потребность в радикальном разрыве с устаревшими космологическими представлениями. С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик - теоретик А.А. Фридман.

Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной и должна либо расширяться, либо сжиматься. Встретив решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика.

3. Космологическое расширение. Эффект Доплера. Красное смещение. Закон Э Хаббла

Удивительное открытие совершил американский астроном Э.П. Хаббл, исследовав фотографии туманности Андромеды (спиральная галактика, как и млечный путь, однако содержит почти вдвое больше звезд). На полученных снимках были видны отдельные звезды и их скопления. Таким образом было впервые доказано, что есть объекты, находящиеся вне нашей галактики, - другие галактики. Изучая спектры галактик, Хаббл обнаружил смещение полос спектра в красную сторону, так называемое красное смещение. Это эффект был предсказан еще в XIX в. австрийским ученым К. Доплером. В случае приближения источника света длина световых волн укорачивается (смещается в фиолетовую область спектра), при удалении - увеличивается (смещается в красную часть спектра). Изучения спектров далеких галактик подтверждают удаление галактик по всем направлениям от земли.

4. Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность). Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1. Принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

2. Экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого кранного смещения.

«Красное смещение» - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого - либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

Если Вселенная расширяется, значит, она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной часть Вселенной является представление о Большом взрыве, прошедшем примерно 12 -18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы».

Все существующее в мире вещество образовалось за доли секунды в бесконечно малом объеме и тут же начало разлетаться во все стороны с непредставимо высокой скоростью. В ходе этого расширения Вселенной ее вещество, исходно обладающей высочайшей температурой, стало остывать. По мере охлаждения мельчайшие элементарные частицы объединились в протоны и нейтроны, которые в свою очередь, образовали атомы газов водорода и гелия. На их долю и сейчас приходится основная масса вселенной.

5. Масштаб Вселенной

Масштаб Вселенной состоит из структур, объединяющихся во все более крупные системы. Земля - всего одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца, а Солнце одна из 200 млрд. звезд галактики Млечный Путь. Сам он, в свою очередь входит в галактическое скопление, называемое Местной Группой (диаметром в 2,5 млн. световых лет). Она состоит из нескольких десятков галактик и включает в себя нашу галактику (Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеланновое Облако и др.), а та вместе с полусотней аналогичных скоплений - в Местное Сверхскопление. Между сверхскоплениями галактик Вселенная пуста - там практически нет вещества. Пока эта самая крупная известная нам во Вселенной система.

6. Наша Галактика

Особый интерес вызывает вопрос о том, что представляет собой наш звездный дом - наша Галактика. Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - просо ближайшие к нам звезды нашей Галактики Большая же часть галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Благодаря этому (в отличие от других галактик) нашу Галактику может легко наблюдать на небе каждый: на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы «с ребра». Средний телескоп позволяет различить в Млечном Пути миллиарды отдельных звезд.

Наша Галактика - гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, которые образуют две подсистемы:

1. центральную, имеющую сферическую форму

2. дискообразную, выходящую краями за пределы шара.

На расстоянии двух третей радиуса диска от центра находится наша звезда - Солнце. Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа; она пронизана магнитными полями, заполнена комическими лучами.

Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды различаются по физическим, химическим характеристикам, особенностям орбит, возрасту и др. Есть старые звезды и молодые (около 100 тыс. лет), некоторые звезды рождаются в настоящее время. Подавляющее большинство звезд имеет «средний» возраст - несколько миллиардов лет. К ним относится и наше солнце - рядовая звезда нашей Галактики, - которое расположено ближе к ее краю. Примерно в 25 000 световых лет от ядра Галактики.

Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом. Благодаря вращению наша галактика имеет спиральную форму, широко распространенную во Вселенной. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды также имеет спиральную форму и очень красивая на фотографиях.

Особый интерес для астрономов представляет центр Галактики. Наблюдать в оптические телескопы центр Галактики не удается из-за мощного слоя межзвездной пыли, ослабляющего свет в десятки тысяч раз. Зато он доступен наблюдениям в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. Данные внеоптической астрономии, а также наблюдения в оптические телескопы за движением близких к центру Галактики звезд позволяют сделать убедительный вывод, что ядром Галактики является черная дыра.

К счастью, расположена в центре нашей Галактики, черная дыра невелика, по сравнению с ядрами других галактик и не активна в той мере, в какой бывают, активны ядра галактик, грандиозные взрывы которых с энергией примерно 10⁶⁰ эрг заявляют о себе буквально на всю Вселенную.

7. Метагалактика

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактики - ее постоянное расширение, о чем свидетельствует «разлет» скоплений галактик. Доказательством того, что скопления галактик удаляются друг от друга, являются «красное смещение» в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое внегалактическое излучение, соответствующее температуре около 2,7 К).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что сами галактики в прошлом были протяжными и разряженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение.

Другое важное свойство Метагалактики - равномерное распределение в ней вещества (основная масса которого сосредоточена звездах). В современном состоянии Метагалактика - однородная в масштабе порядка 200 Мпк. Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале расширения метагалактики неоднородность материи вполне могла сосуществовать. Поиски следов неоднородности прошлых состояний метагалактики - одна из важнейших проблем внегалактической астрономии.

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Галактики разбросаны по вселенной более или менее беспорядочно, однако они обычно собраны в группы. Подобные группы галактик - «атомы» космологии. Космология рассматривает поведение вселенной лишь в масштабах такого ил более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках (хотя они могут быть очень важными), редко становятся существенными для космологии.

8. Сценарии будущего Вселенной

Любопытно знать не только далекое прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 10⁵² т, можно предположить, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет. Таким образом, Вселенная может быть представлена как грандиозная осциллирующая система, испытывающая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться.

Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в «открытых» в бесконечность космологических моделях, которые, по сути, представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с ними уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что достаточно быстро (через 10¹⁵ лет) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируют, образуя черные дыры. Таким образом, галактики прекращают свое существование.

9. Солнечная система

9.1. Происхождение солнечной системы

Солнце - плазменный шар (плотность -1/4 г/см²) с температурой поверхности 6 тыс. градусов, в атмосфере которого - короне - происходят - вспышки - протуберанцы. Излучение Солнца - солнечная активность - имеет цикл 11 лет.

Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел А. Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете считал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода не Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики - 220 км/сек. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 250 млн. лет. Ближайшие к солнцу звезды - б Центавра и Сириус.

Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконцентрировались из космического облака, расположенного в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали и конденсировались, образуя органическое соединение, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды и соединения азота.

Из гипотезы происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в «ловушки» из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

Слабость предложенной гипотезы заключается в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов - дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железы и никеля. Наблюдения говорят об обратном.

Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск тоже начинал разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Известна также гипотеза образования планет Солнечной системы.

10.2 Планеты и их спутники

Солнечная система состоит из 9 планет. Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник - Луна), астероиды (которые образуют пояс между марсом и Юпитером), с окраин солнечной системы к ее центру иногда подлетают ледяные кометы (самая знаменитая среди них - комета Галлея, которая видна с Земли раз в 76 лет), метеорные тела. Планеты расположены в следующем порядке:

1. Меркурий

2. Венера

3. Земля (один спутник - Луна)

4. Марс (два спутника)

5. Юпитер (15 спутников)

6. Сатурн (16 спутников)

7. Уран (5 спутников)

8. Нептун (2 спутника)

9. Плутон (1 спутник)

Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.

Важную роль в Солнечной системе играет межпланетная среда, те формы вещества и поля, которые заполняют пространство Солнечной системы. Основные компоненты этой среды - солнечный ветер (поток заряженных частиц в основном протонов и электронов, истекающих с поверхности Солнца); заряженные частицы высокой энергии, приходящие из глубин космоса; межпланетное магнитное поле; межпланетная пыль, основным источником которой являются кометы; нейтральный газ (атомы водорода и гелия).

По физическим характеристика планеты делятся на две группы:

1. Планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс)

2. Планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Используемая литература

1. А.А. Горелов Концепции современного естествознания. - М.: АСТ Астрель, 2004

2. Миронов А.В. Концепции современного естествознания. М., 2003

3. В.М. Найдыш Концепции современного естествознания. - М.:Альфа-М, ИНФРА-М, 2005

4. Атлас Мира. Ридерз Дайджест, 2003 г.