Размещено на http://www.allbest.ru/

Грачёв В.В., Кучер М.И., Френкель Е.Э.,

Военный институт материального обеспечения,

Вольск, Саратовская обл., Россия

Введение

Актуальность темы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к изучению Вселенной, с другой стороны, недостаточной проработанностью вопросов и многообразием суждений о Вселенной, а также огромным вниманием и интересом к ней в современном мире.

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной, как о едином целом, и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике), как части целого - космология.

Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.

Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счёте - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Исследования Вселенной занимают особое место не только в естествознании, но и культурной истории человечества. Астрономия является древнейшей и одной из самых мировоззренческих значимых естественных наук. Если к ней добавить концепции космологии и космогонии, то важность вклада этой отрасли знаний в формирование современной картины мира становится неоценимой. Это обуславливает огромный интерес к ней не только со стороны учёных, но и самых широких слоёв общественности, в том числе студенчества.

Вселенная поражает воображение своим величием, своими колоссальными пространственно-временными формами. Космическая бездна манит к себе исследователей, которые постепенно вскрывают внутренние "механизмы" космогенеза, законы структурной организации мегамира и раздвигают тем самым границы представлений о самой Вселенной.

Каждый переломный этап развития естествознания был связан с новыми открытиями в исследованиях Вселенной. Что приводило к переосмыслению "вечных" вопросов - о происхождения мира, жизни, разума, месте человека в мироздании и способствовало изменению мировоззренческих принципов, а в конечном итоге - структурной перестройке научной картины мира.

Целью работы являются изучение современных представлений о Вселенной.

Задача работы заключается в исследовании современных представлений о структуре Вселенной.

Теоретическая значимость результатов исследования заключается в развитии теории о Вселенной.

Научная и практическая значимость заключается в изучении современных представлений о Вселенной и в возможности использования данных результатов широким кругом лиц для расширения своего кругозора в данных вопросах, в учебном процессе при изучении различных дисциплин в вузах, а также при выполнении научно-исследовательских работ.

Использование результатов исследования позволит повысить уровень знаний и качество подготовки обучающихся при изучении данных вопросов в рамках различных научных дисциплин.

Работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка источников.

Достоверность изложенной в работе информации подтверждается имеющимися данными о Вселенной, строении Солнечной системы и возникновении жизни на Земле и источниками, на которые ссылается автор.

Первая глава работы знакомит с определениями понятия "Вселенная", которые дают различные науки.

Вторая глава знакомит с космологией - областью науки, которая изучает происхождение и развитие небесных тел и их систем.

Третья глава непосредственно знакомит с обликом современной Вселенной.

В заключении работы подведены итоги исследования, сделаны выводы по работе, показана теоретическая, научная и практическая значимость результатов исследования.

1. Понятие о Вселенной

Что такое Вселенная? Определение этого часто употребляемого понятия не так уж просто. Если сформулировать предельно сжато: это все то, что существует. Однако подобный ответ на вопрос о том, что такое Вселенная, толком ничего не разъясняет. Потому остановимся на определении подробнее.

Начать можно с того, что понятие "Вселенная" является фундаментальным сразу в двух крупнейших науках всех времен: философии и астрономии. В целом схожие значения слова имеют принципиальное отличие. В первом случае под Вселенной подразумевается умозрительная структура, во втором же - материальная. Строго говоря, развернутое, но четкое определение "Вселенная - это…" и в философии, и в астрономии отсутствует. При этом каждое исследование, физическое или мысленное, в качестве объекта имеет элемент Вселенной.

В настоящее время наиболее распространено несколько определений понятия "Вселенная".

Так, Современная энциклопедия трактует понятие "Вселенная" как окружающую нас часть материального мира, доступную наблюдению. Раздел физики и астрономии, изучающий Вселенную как целое, называется космологией. Астрономические данные указывают на то, что Вселенная расширяется: галактики, квазары удаляются от нас и друг от друга со скоростями, приблизительно пропорциональными расстояниям между объектами. Самые далекие квазары удаляются от нас со скоростями, близкими к скорости света. Возраст Вселенной (время расширения от начального состояния - так называемого Большого взрыва) приблизительно 10-20 млрд. лет, радиус Вселенной приблизительно 10-20 млрд. световых лет. Выдвинуты гипотезы о существовании других Вселенных.

Согласно Большому энциклопедическому словарю Вселенная - весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией, - часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки (иногда эту часть Вселенной называют Метагалактикой).

Большая советская энциклопедия, также, как и Философский энциклопедический словарь, дает похожее определение: Вселенная - весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Исходным пунктом, принципиальной основой изучения Вселенной является признание ее материальности, объективности, независимости от человеческого сознания. В широком смысле Вселенная является предметом изучения всего естествознания, каждая отрасль которого изучает одну из сторон Вселенной. В более узком смысле наукой о Вселенной является астрономия, изучающая пространственно-временное распределение материи во Вселенной, строение и развитие небесных тел и их систем. Вопрос о Вселенной в целом составляет предмет космологии. Вселенная содержит гигантское множество небесных тел, многие из которых по размерам превосходят Землю, иногда во много миллионов раз. Всякое подлинно научное исследование признает объективное существование, материальность Вселенной.

Таким образом, Вселенная - не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Первую называют Вселенной, а вторую - астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

2. Основы современной космологии

Космология - область науки, которая изучает происхождение и развитие небесных тел и их систем. Условно она разделяется на планетную космологию и звёздную. Космология же рассматривает Вселенную как единое целое. Поэтому важное значение космологических концепций состоит в том, что они дают представление об общих закономерностях строения и эволюции Вселенной, выступая основными элементами познания бесконечного материального мира.

По мере развития естествознания, с его новыми научными открытиями, появляются и новые глобальные космогонические и космологические концепции. При этом учёт таких парадигм современного естествознания, как эволюционизм, типологизм, космизм и целостность, играет важную роль в обобщении наших знаний о мире космоса, о структуре Вселенной, помогает построить глобальные модели её развития.

Научная космология формируется в XX веке, а её зарождение связанно с именем А. Эйнштейна, создавшего в 1916 г. релятивистскую теорию тяготения (общую теорию относительности), которая стала теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной.

Он разработал стационарную замкнутую сферическую модель Вселенной, характерной чертой которой была конечность пространственного сечения, хотя с точки зрения внутренней геометрии это пространство представлялось неограниченным.

В своей концепции А. Эйнштейн связал между собой пространство и время в единую ценность - пространственно-временной континуум (ПВК). ПВК А. Эйнштейна можно представить в виде четырехмерного цилиндрического мира с конечным трёхмерным пространственным сечением и неограниченной осью времени.

В течении веков создавались различные космологические модели, но почти все они носили стационарный характер, то есть отражали статичность, неизменность Вселенной, ибо сама мысль о возможности её эволюции казалась исследователям нелепой, абсурдной и противоречащей здравому смыслу.

Современный этап развития космологического знания начинается с работ замечательного российского ученого А.А. Фридмана. Основываясь на теории А. Эйнштейна, он в 1922 г. доказал, что Вселенная не остается постоянной, неизменной во времени, а должна либо расширяться, либо сжиматься. На базе фридмановских решений возможно построение трёх типов моделей Вселенной, вид которых определяется средней плотностью материи.

Если плотность материи равна критической r_{кр =} 10 г/см ³, то пространство не искривляется, его геометрия евклидова, а Вселенная равномерно расширяется в бесконечность.

При плотности меньшей критической кривизна пространства отрицательна, и Вселенная носит открытый характер, причём скорость её расширения выше, чем в первом случае.

Если плотность материи больше критической, то пространство является замкнутым с положительной кривизной. Вселенная имеет закрытый характер: она сначала расширяется до определенного значения своего радиуса, а затем сжимается в точку, так называемую сингулярность.

Концепция А.А. Фридмана получила в 1929 г. своё блестящее подтверждение: американский астроном Э. Хаббл, благодаря многочисленным наблюдениям установил факт расширения Вселенной, проявляющийся в разбегании (разлёте) галактик. Данное открытием стало одним из величайших достижений современного естествознании, посредством которого была доказана глобальная эволюция Вселенной.

В настоящее время пока ещё не установлена средняя плотность космической материи, а, следовательно, невозможно с достаточной достоверностью указать, какому типу фридмановских моделей соответствует наша Вселенная. Модели А.А. Фридмана по сути своей эволюционны, т.к. связывают современное состояние Вселенной с её предыдущей историей, указывая на коренное качественное отличие от её начальных состояний.

Особенностью этих моделей является наличие момента рождения Вселенной, когда она представляла собой однородное вещество высокой плотности, сконцентрированное в очень малом объёме. Стремительное расширение этого вещества на начальном этапе глобальной эволюции получило наименование "Большого взрыва".

Рассмотренные фридмановские модели эволюции Вселенной применимы в основном к мегамиру. В области же микромира, а именно там произошел процесс зарождения нашей Вселенной, действуют иные законы, которые должны учитывать квантовые эффекты. В далеком прошлом - около 18 млрд. лет назад, размеры Вселенной были микроскопичны, а плотность и температура достигали огромных значений. Такое состояние ученые назвали точкой сингулярности.

В конце сороковых годов XX века американский учёный русского происхождения Д.Ж. Гамов выдвигает концепцию горячего происхождения Вселенной, в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие в плотном веществе Вселенной на начальных этапах.

Температура здесь была чрезвычайно высокой и падала по мере возвышения Вселенной. Концепция Д.Ж. Гамова выдвинула две важнейших гипотезы, подтвержденные в последствии астрономическими наблюдениями.

Во-первых, вещество из которого на определенном этапе глобальной эволюции сформировались первые звезды и галактики состояло в основном из водорода (75 %) и гелия (25 %).

Во-вторых, в современной Вселенной присутствует слабое электромагнитное излучение, названное реликтовым, оставшееся от начальных этапов расширения.

Концепция происхождения Вселенной в результате Большого взрыва стала в настоящее время общепринятой теорией, а астрономы дали ей название "стандартной модели". Начальное стремительное расширение Вселенной характеризовалось колоссальными плотностью, давлением и температурой (порядка 100 млрд. градусов по Цельсию). В таких условиях никакие формы жизни зародиться не могли, существовали лишь элементарные частицы в виде ионизированной плазмы. Поэтому данная концепция научно обосновывает тот факт, что живая материя, а затем и разум могли появиться только на определенном этапе эволюции самой Вселенной, когда для этого сформировались естественные предпосылки.

К концу первых трёх минут температура резко упала до 1 млрд. градусов, что позволило протонам и нейронам объединиться с образованием ядер водорода и гелия. Когда возраст Вселенной достиг несколько сотен тысяч лет материя уже охладилась до трёх тысяч К - кельвин. Данный процесс привёл к соединению электронов с ядрами водорода и гелия и возникновению их атомов.

Через семьсот тысяч лет появившейся газ стал конденсироваться под действием сил гравитации в определенные сгустки, из которых затем и шло образование звезд и галактик. В дальнейшим уже внутри звёзд происходили процессы синтеза химических элементов.

Спонтанное расширение Вселенной - Большой взрыв имеет коренное отличие от взрывных процессов окружающего нас макромира, где вещество разлетается сквозь пространство.

Во Вселенной с разлётом вещества одновременно расширяется, раздуваясь и само её пространство. Причём, на каждом этапе расширения качественно менялась структура; вначале появляется ионизированная плазма затем возникают материальные частицы, из которых зарождаются звёзды, из звезд формируются звёздные системы галактики.

Современные исследования Вселенной с помощью различных космических аппаратов позволяют гораздо глубже изучить общие преставления о строении Вселенной. Так, космический аппарат НАСА - WMAP, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной, с 2001 по 2009 г. передавал на Землю результаты сканирования небесной сферы. Собранная WMAP информация позволила учёным построить самую детальную на сегодняшний день карту флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере. Ранее подобную карту удалось построить по данным аппарата НАСА - COBE. Однако её разрешение существенно, в 35 раз, уступало данным, полученным WMAP.

Данные WMAP показали, что распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере соответствует полностью случайным флуктуациям с нормальным распределением. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с моделью Вселенной, состоящей: на 4 % из обычного вещества, на 23 % из так называемой тёмной материи, возможно, из гипотетических тяжёлых суперсимметричных частиц и на 73 % из ещё более таинственной тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.

Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной.

Среди других параметров, из данных WMAP, определён, исходя из ЛCDM-модели, то есть фридмановской космологической модели с Л-членом и холодной тёмной материей англ. Cold Dark Matter, возраст Вселенной, который составляет 13,799 ± 0,021 миллиардов лет.

Наблюдательные подтверждения в данном случае сводятся, с одной стороны, к подтверждению самой модели расширения и предсказываемых ею моментов начала различных эпох, а с другой, к определению возраста самых старых объектов, который не должен превышать получающийся из модели расширения возраст Вселенной. вселенная галактика эволюция космология

3. Облик современной Вселенной

Представляя Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она - система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав.

Вселенная мало похожа на обычный газ. Уже на самых крупных масштабах мы сталкиваемся с расширением Вселенной и реликтовым фоном. Природа первого явления - гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно его развитием определяется будущее Вселенной. Второе же явление - это наследство ранних эпох, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас, из-за расширения Вселенной, из видимого диапазона большинство излучённых тогда фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.

Рис. 1. Этапы развития Вселенной

Рис. 2. Расширение Вселенной

Рис. 3. Иерархия масштабов во Вселенной

При переходе к масштабам меньше 100 Мпк обнаруживается чёткая ячеистая структура. Внутри ячеек пустота - войды. Войд (англ. void - пустота) в космологии - это пространство между галактическими нитями, в котором почти отсутствуют галактики и скопления. Наиболее крупные космические пустоты именуются супервойдами. А стенки образованы из сверхскоплений галактик. Эти сверхскопления - верхний уровень целой иерархии, затем идут скопления галактик, потом локальные группы галактик, а самый нижний уровень - это огромное многообразие самых различных объектов. Конечно, все они - галактики, но все они различны: это и линзовидные, неправильные, эллиптические, спиральные, с полярным кольцами, с активными ядрами и т. д.

Из них отдельно стоит упомянуть квазары, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от "точечных источников" - звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046-1047 эрг/с.

Переходя к составу галактики, мы обнаруживаем: тёмную материю, космические лучи, межзвёздный газ, шаровые скопления, рассеянные скопления, двойные звёзды, звёздные системы большей кратности, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры звёздной массы, и, наконец, одиночные звёзды разного населения.

Их индивидуальная эволюция и взаимодействие друг с другом порождает множество явлений. Так, предполагается, что источником энергии у упомянутых уже квазаров служит аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную центральную чёрную дыру.

Отдельно стоит упомянуть и о гамма-всплесках - это внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гаммадиапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет всего 1038 эрг/c. Такие яркие вспышки видны из самых далеких уголков Вселенной, так у GRB 090423 красное смещение z = 8,2.

Сложнейшим комплексом, включающим в себя множество процессов, является эволюция галактики.

В центре диаграммы представлены важные этапы эволюции одной звезды: от её формирования до смерти. Их ход малозависим от того, что происходит со всей галактикой в целом. Однако, общее число вновь образующихся звёзд и их параметры подвержены значительному внешнему влиянию. Процессы, масштабы которых сравнимы или больше размера галактики (на диаграмме это все остальные, не вошедшие в центральную область), меняют морфологическую структуру, темп звездообразования, а значит, и скорость химической эволюции, спектр галактики и так далее.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Процессы, формирующие эволюцию галактики

Как можно видеть, масштабы происходящих процессов - многие миллионы лет, условия, в которых они происходят крайне редко, и то лишь частично, можно воспроизвести в лабораториях, поэтому все знания о них - многоступенчатая интерпретация астрономических наблюдений.

Заключение

В работе сделана попытка систематизировать и представить современные представления о Вселенной.

К началу XXI века происходит возрождение на новом - научном уровне античных представлений о космосе как органичном единстве взаимозависимости, стройности, порядка и целесообразности. Этим и обусловлен тот ценнейший вклад, который вносит современное естествознание и исследования Вселенной, что влечёт за собой не только изменения научного мышления, но и культуры цивилизации в целом.

Эволюционно-синергетическая парадигма позволяет преодолеть извечное противопоставление природы и человеческой культуры, как материальной, так и духовной, показав их включенность в коэволюционные процессы - совместное, взаимообусловленное развитие земных и космических систем.

Активное теоретическое и практическое вторжение человека в новую область реальности - космическое пространство, преобразование его объектов и систем ставит морально-этические вопросы об ответственности человечества не только за будущее цивилизации и за судьбу земной биосферы, но и за сохранение гармонии космоса.

Научная и практическая значимость работы заключается в изучении современных представлений о Вселенной и в возможности использования результатов широким кругом лиц для расширения своего кругозора в данных вопросах, в учебном процессе при изучении различных дисциплин в вузах, а также при выполнении научно-исследовательских работ.

В заключении отметим факт наличия на Земле самых благоприятных условий для возникновения жизни. Наличие воды, удалённость от Солнца, атмосфера. Всё это способствовало тому, чтобы на Земле рано или поздно зародилась бы жизнь. И хочется верить, что такая планета не единственная в бескрайних просторах Вселенной.

Список использованных источников

1. Астрономия и современная картина мира / Под. ред. В.В. Казютинского. - М.: ИФ РАН, 1996. - 247 с.

2. Витол Э.А. Концепции современного естествознания: учеб. пос. / Э.А. Витол. - 2-е изд., доп. - Ростов-на-Дону, 1998. - 102 с.

3. Вселенная // Свободная энциклопедия "Википедия" [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Вселенная. - Дата доступа: 08.12.2017.

4. Вселенная // Сайт "Академик" [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6129. - Дата доступа: 08.12.2017.

5. Дэвид Х. Леви. Звёзды и планеты: энцикл. окружающего мира: пер. с англ. / Дэвид Х. Леви. - М.: Белый город, 1998. - 288 с.

6. Зингель Ф.Ю. Астрономия в её развитии / Ф.Ю. Зингель. М.: Просвещение, 1988. - 158 с.

7. Иванов Б.П. Физическая модель Вселенной / Б.П. Иванов. - СПб.: Политехника, 2000. - 312 с.

8. Киппенхан Р. 100 миллиардов солнц: рождение, жизнь и смерть: пер. с нем. / Р. Киппенхан. - М.: Мир, 1990. - 293 с.

9. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная / И.Д. Новиков. - М.: Наука, 1988. - 176 с.

10. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной / И.Д. Новиков. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1983. - 192 с.

11. Паннекук А. История астрономии: пер. с англ. / А. Паннекук. - 2-е изд. - М.: URSS, 2010. - 592 с.

12. Сучков А.А. Галактики знакомые и загадочные / А.А. Сучков. - М.: Наука, 1988. - 192 с.

13. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пос. /В.Г. Торосян. - М.: Высшая школа, 2002. - 208 с.

14. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Френкель Е.Н. - Ростов н/Д: Феникс, 2014. - 246 с.

15. Хоровиц Н. Поиски жизни в Солнечной системе: пер. с англ. / Н. Хоровиц. - М.: Мир, 1988. - 187 с.

16. Чернин А.Д. Звезды и физика / А.Д. Чернин. - М.: Наука, 1984. - 160 с.

17. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум / Под ред. Н.С. Кардашева и В.И. Мороза. - 6-е изд., доп. - М.: Наука, 1987. - 320 с.

18. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь, смерть / И.С.

Шкловский. - 3-е изд., перераб. - М.: Наука, 1984. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru