Основы современных представлений о строении и эволюции вселенной кратко

Обновлено: 25.06.2024

Тысячелетиями человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является

грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна, так как она является вечно самодвижущейся материей.

Cуществует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология.

С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Все результаты полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства, которыми обладает модель.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система. Число звезд в галактике порядка 10 триллионов .

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является

Последний звёздный каталог содержит более 30 тыс. галактик ярче 15 звёздной величины, а при помощи сильного телескопа можно сфотографировать сотни миллионов галактик. Всё это вместе с нашей Галактикой образует так называемую метагалактику. По своим размерам и количеству объектов метагалактика бесконечна, она не имеет ни начала, ни конца. По современным представлениям в каждой галактике происходит вымирание звёзд и целых галактик, равно как и возникновение новых звёзд и галактик. Наука, изучающая нашу Вселенную как единое целое, называется космологией. По теории Хаббла и Фридмана наша вселенная, учитывая общую теорию Эйнштейна, такая Вселенная расширяется примерно 15 млрд лет назад ближайшие галактики были ближе к нам, чем сейчас. В каком-то месте пространства возникают новые звёздные системы и, учитывая формулу Е = mc2, поскольку можно говорить о том, что поскольку массы и энергии эквивалентны, то взаимное превращение их друг в друга представляет собой основу материального мира.

На этом уроке мы будем говорить о развитии космологических взглядов на строение мира. А также рассмотрим некоторые современные теории возникновения и эволюции Вселенной.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Строение и эволюция Вселенной"

Мы с вами говорили о том, что во Вселенной существует огромное число (по некоторым данным до двух триллионов) гигантских гравитационно-связанных систем звёзд и межзвёздного вещества — галактик. Но что же такое Вселенная? Этот вопрос волновал человечество на протяжении всей его истории. По сути, существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи.

Космология — это раздел астрономии, изучающий свойства, строение и эволюцию Вселенной в целом. В основе этой дисциплины лежат такие науки, как математика, физика, астрономия и философия.

В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в том числе и Земля). Хотя Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд.

Модификацией системы Коперника была система мироустройства Томаса Диггеса. Он выдвинул идею о том, что звёзды во Вселенной располагаются не на одной сфере, как у Коперника, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности.

Но самый решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философ Джордано Бруно. В частности, он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы.

Однако все учёные и философы того времени соглашались в одним: может Вселенная и бесконечна, но она статична, то есть не меняется со временем (как будто звёзды застыли на своих местах).

Эта идея на столько проникла в разум учёного, что в своё основное уравнение ОТО он ввёл космологическую постоянную — лямбда-член. Сделано это было для того, чтобы решения уравнения допускали пространственную однородность и статичность Вселенной.

Но выдающийся советский математик Александр Фридман в 1922 году нашёл нестационарное решение уравнения Эйнштейна. Анализ этого решения показал, что ни при каких условиях решение не может быть единственным. Это означало, что невозможно точно ответить на вопрос о том, какова же форма Вселенной, каков радиус её кривизны и вообще, стационарна она или нет.

Но тем не менее Фридманом было получено три возможные модели нестационарной Вселенной, которые мы попробуем объяснить, оперируя только привычными нам понятиями теории тяготения Ньютона. Итак, предположим, что мы находимся на Земле и наблюдаем за очень далёкой галактикой, находящейся на известном от нас расстоянии R. При этом будем считать, что распределение вещества во Вселенной действительно является однородным.

Тогда на движение исследуемой галактики будет оказывать влияние только то вещество, которое находится внутри сферы с радиусом R. Оно, согласно закону всемирного тяготения, будет притягивать галактику к центру этой сферы:

Остальное же вещество Вселенной не будет влиять своим притяжением на движение галактики (так как его действия будут равны по абсолютной величине и направлены в противоположные стороны).

Тогда, на основании второго закона Ньютона мы можем заключить, что исследуемая галактика должна двигаться к центру шара с ускорением, сообщаемым силами гравитации:

Теперь вспомним, что движение галактики подчиняется закону Хаббла:

Давайте сравним эту скорость с выражением для второй космической скорости:

Величина, стоящая под знаком корня в числителе, называется критическим значением плотности вещества, от которой зависит характер его движения:

Для определения примерного времени начала наблюдаемого расширения Вселенной можно воспользоваться постоянной Хаббла.

Таким образом, расширение Вселенной началось примерно 14,61 млрд лет назад, что не так уж и далеко от истины.

Но вернёмся к работам Фридмана и Хаббла. Итак, их работы показали, что в прошлом расстояние между галактиками было очень и очень мало. Более того, расчёты, проведённые на основе космологических моделей Фридмана, указывали на то, что в момент начала расширения вещество Вселенной должно было иметь бесконечно большую плотность, заключённую в бесконечно малом объёме.

Затем произошло нечто, что мы сейчас называем Большим взрывом.

Через 10 –43 секунды после Большого взрыва гравитационное взаимодействие отделилось от объединённого электрослабого и сильного взаимодействия. Спустя ещё 10 –8 секунды отделились друг от друга сильное и электрослабое взаимодействия. И в этот же момент началось скачкообразное расширение Вселенной, которое называется инфляционным. Оно продолжалось всего около одной миллисекунды (до отметки в 10 –32 с). После чего все четыре фундаментальных взаимодействия начали существовать отдельно друг от друга. А Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму с лептонами, фотонами и бозонами Хиггса. Примерно через 0,1 мс после запуска механизма рождения Вселенной, кварки слились в элементарные частицы — протоны и нейтроны.

Начиная с 4 минуты Вселенная остыла до такой степени, что начали образовываться стабильные ядра водорода и гелия. Спустя 5 минут после начала расширения термоядерные реакции прекратились. В таком состоянии Вселенная находилась около 380 тысяч лет. За это время её температура снизилась настолько, что стало возможным существование стабильных атомов лёгких элементов.

Через миллион лет после Большого взрыва наступила эра вещества, когда стало развиваться многообразие нынешнего мира. А примерно через миллиард лет началось формирование галактик, звёзд и планет. Вселенная стала похожа на то, что мы видим сейчас.

Удивительно, но в 1964 году таинственное реликтовое излучение было обнаружено американскими радиоастрономами Анро Пензиасом и Робертом Уилсоном. При этом максимум излучения приходился на длину волны в 1 мм, что согласно закону смещения Вина соответствует температуре в 2,7 К. Таким образом, теория Га́мова была полностью подтверждена и стала общепризнанной.

Казалось бы, на этом всё. Но Вселенная только усмехнулась и поставила перед учёными новую задачу: как в дальнейшем будет происходить расширение? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо было найти зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё. Казалось бы, нет ничего проще, если использовать закон Хаббла. Но в конце 90-годов ХХ в. было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые звёзды имеют яркость ниже той, которая им полагается. Это указывало на то, что в действительности расстояние до галактики больше расчётного значения. А это указывало только на одно: Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

На основании этих данных учёными была предложена новая космологическая модель Вселенной — модель ΛCDM (от английского Lambda-Cold Dark Matter). Новая модель позволила также уточнить возраст Вселенной — (13,799 ± 0,21) миллиарда лет.

Таким образом, развитие современной космологии в очередной раз показало безграничные возможности человеческого разума, способного исследовать сложнейшие процессы, которые происходят во Вселенной на протяжении миллиардов лет.

Вложенные файлы: 1 файл

4Основная часть.doc

1. Космологическая модель А. Эйнштейна — А.А. Фридмана

А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. И Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана.

Через какое-то время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. По смещению световых лучей к красному концу видимого спектра можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде — это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. Например, звуковой сигнал движущегося поезда относительно неподвижного наблюдателя на платформе будет выше, когда поезд приближается к нам. И ниже, когда он от нас удаляется. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас — то к красному концу.

При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдали красное смещение! Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания. галактик — больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно, и до сих пор причина этого не выяснена). Американский астроном, Э. Хаббл (1889—1953) установил в 1929 г. закон:

где V — лучевая скорость, r— расстояние до объекта, Н — постоянная Хаббла, равная ~ (3 — 5)10-18 с-1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из Н можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/Н), который оценивается в 10—20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

2. Другие модели происхождения Вселенной

В настоящее время существует много космологических концепций, и нельзя, естественно, сказать, что уже установлена истина в последней инстанции, учитывая еще указанную сложность астрофизических и космологических экспериментов.

2.1.Модель Большого Взрыва

Однако одна из уже современных таких теорий — теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15—20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия, современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. нашим соотечественником Г. А. Гамовым.

Возвращаясь к сгустку перед Большим Взрывом, отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению — Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10—14 млрд лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Заметим здесь, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Г. А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос — Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом, теория Большого Взрыва согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~1 атом/см3, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Сгусток есть не что иное, как сама Вселенная, и Земля находится внутри него. Внутри же сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли (вспомним шарик с пятнышками) или от любого куска вещества в сгустке. Поэтому излучение сгустка бомбардирует Землю со всех сторон. Любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~14 — 20 • 1010 лет, то согласно теории огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной — порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 К, должен приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным.

Читайте также: