Основы современной космологии реферат
Обновлено: 05.07.2024
В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно наблюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная.
Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
1. Основные концепции космологии
1.1 Предположения А. Эйнштейна
Тем не менее, принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.*
1.2 Выводы А.А. Фридмана
Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888–1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может, находится в стационарном состоянии – она должна расширяться либо сужаться.*
1.3 Эмпирический закон – закон Хаббла
Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889–1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил Эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т. е. V=Hr, где H – постоянная Хаббла.*
С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мал. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 кмс на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.
Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла – мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 10 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.
В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из нее следует, что некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.
1.4 Гипотезы Г.А. Гамова
По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40 х гг. ХХ в. Г.А. Гамовым (1904–1968), физиком – теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной.* В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.
Из этой модели следует два вывода:
вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода (75 %) и гелия (25 %);
в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому названное реликтовым.
1.5 Реликтовое излучение А. Пензиса и Р. Вильсона
С развитием астрономических средств наблюдения, и в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон экспериментально обнаружили реликтовое излучение. Реликтовое излучение – это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К.
В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи – кварк – глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.
2. Модель горячей Вселенной
Вселенная-это совокупность всего, что существует. Земля, Луна, Солнце и все планеты и звезды образуют Вселенную. Вселенная полна большими и волнующими тайнами и загадками, которые ученые стараются разгадать. Многие выдвигают теории относительно ее происхождения. Они утверждают, что Вселенная существовала не всегда, но имела свое начало.
Исходя из исследований звезд и галактик, ученые заметили, что они отделяются друг от друга с большой скоростью. Это позволяет предположить, что в какой-то момент они были соединены. Опыт, предлагаемый для объяснения, каким было начало Вселенной, состоит в том, что воздушный шар разрисовывают небольшими пятнами. Когда шар надувают, расстояние между пятнами увеличивается, и пятна также становятся все больше. В этом опыте пятна представляют галактики, а надувание шара – распространение Вселенной.
2.1 Космология Большого Взрыва
Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной – в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией. По мере расширения Вселенной температура падала от очень большой до довольно низкой, обеспечивая возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы. Лишь когда температура понизилась, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого Взрыва.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13–15 млрд. лет. Как было сказано ранее, Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.
2.2 Деление начальной стадии эволюции на эры
В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры.
Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10 градусов по Кельвину, плотность 10 см. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.
Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10 градусов по Кельвину, плотность 10 /см. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы – энергии Вселенной – приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность – от 10 г./см до 10 г./см. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.
Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.
2.3 Инфляционная модель Вселенной
В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва обосновывается инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается идея творения Вселенной. Эта идея имеет сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В данной модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 с после начала расширения.
В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.
Начало Вселенной определяется как состояние квантовой супергравитациии с радиусом Вселенной в 10 см (размер атома 10) Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10 с до 10 с.
В стадии инфляции создавалось само пространство и время Вселенной. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения. Затем состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос. Так произошел переход от инфляционной стадии к фотонной.
Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал.
В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур – атомов, галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновение жизни и человека.
3. Структура Вселенной
Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Структура Вселенной – предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.
3.1 Метагалактика
Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика – охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта. Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.*
Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдениях, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы пространства, в которых галактик пока не обнаружено.
Если брать не отдельные участки Метагалактики, а ее крупномасштабную структуру в целом, то, очевидно, что в этой структуре не существует каких-то особых, чем-то выделяющихся мест или направлений и вещество распределено сравнительно равномерно.
Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование ее структуры приходится на период, следующий за разъединением вещества и излучения. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет. Ученые считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галактик, которые сформировались на одной из начальных стадий расширения Метагалактики.
3.2 Галактики
Главные составляющие Вселенной – галактики. Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.
По форме галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.
Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.
Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – Млечный Путь.
Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.
Кроме звезд и планет галактики содержат разреженный газ и космическую пыль.
Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из 150 млрд. звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам.* Наша Галактика, Туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную группу галактик. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено Солнце.
На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения.
Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся протозвездной стадии, т. е. они еще не стали настоящими звездами.
Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций.
Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды – раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно.* Есть, например, звезды – гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они превосходят Солнце.
Кроме звезд гигантов существуют и звезды – карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли и даже Луны.
Различают также нейтронные звезды – это громадные атомные ядра.
Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – состоят из 2-х и более звезд. Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления.
3.4 Солнечная система
Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению.* В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчисленное множество метеоритных тел. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.
Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго поколения. Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Считается, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.
В соответствии с современными представлениями, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце, и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредствам концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на расстоянии – как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Заключение.
Вселенная в широком смысле – это среда нашего обитания. Поэтому важное значение для практической деятельности человека имеет то обстоятельство, что во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, что она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в состояние среды нашего обитания, в том числе и космической, мы должны изучать не только земные явления и процессы, но и закономерности космического масштаба.
Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества.*
Картина эволюции Вселенной, открывшаяся перед нами, поражает воображение и удивляет. Не переставая удивляться, не следует забывать, что все это открыл человек – обитатель маленькой пылинки, затерянной в безграничных просторах Вселенной, – планеты Земля.
Основные этапы развития представлений о Вселенной. Особенности релятивистской космологии (теории А. Эйнштейна, А.А. Фридмана). Концепция расширяющейся Вселенной. Анализ и принципы концепции "Большого Взрыва". Астрономические наблюдения чёрных дыр.
| Рубрика | Астрономия и космонавтика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.04.2009 |
| Размер файла | 21,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Введение
Этот реферат посвящен космологии - науке о строении и эволюции Вселенной как целого. На протяжении тысячелетий люди пытались ответить на вопросы “Как устроен мир?”, “Всегда ли мир существовал?”, “Не погибнет ли он?” и так далее. Двадцатый век, благодаря мощным телескопам, радиотелескопам, спутникам и новым фундаментальным физическим теориям - в первую очередь, теории относительности и квантовой механике - пролил новый свет на все эти вопросы, и появилась новая физическая теория - теория Большого Взрыва.
В начале ХХ века Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) - рассматривавшей только равномерное движение - сумел внести в механику Ньютона изменения, связанные с постоянством скорости света - как предельной скорости движения вообще. Последствия этого и других изменений были далеко идущими. Из общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, рассматривавшей уже и ускоренное движение, и силы тяготения, следовало, что трехмерное пространство Вселенной не бесконечно - как бесконечны, например, одномерная прямая линия и двумерная плоскость - а конечно по объему и замкнуто само на себя, как конечны и замкнуты одномерная линия окружности и двумерная поверхность шара - сфера.
Самый серьезный удар по представлению о стационарности Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными Хабблом.
1. Основные этапы развития представлений о Вселенной
Так появилась ньютоновская модель, господствовавшая до 20-х годов ХХ века. Согласно ей, Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, то есть вечна. Звезды вращаются вокруг центра своей галактики. Группы галактик вращаются вокруг центра своей группы. Скопления групп галактик образуют в свою очередь скопления более крупного порядка и т. д. и т. п. Совсем недавно обнаружили, что скопления галактик образуют в пространстве Вселенной ячеистую структуру наподобие пчелиных сот. Но и это не меняет того факта, что по всем направлениям от нас на расстоянии до 12 миллиардов световых лет, которого достигают современные телескопы, все везде одно и то же. И нет никаких оснований думать, что за пределами видимости есть что-то другое.
На границах видимости обнаружены гигантские светящиеся скопления материи, названные квазарами, которых нет вблизи нас. Это можно объяснить тем, что мы видим приграничные области такими, какими были они - и, очевидно, вся наша Вселенная - 10-12 млрд. лет назад. Изменчивость Вселенной во времени подрывает идею ее вечности, а значит, и всю ньютоновскую модель.
2. Релятивистская космология (А. Эйнштейн, А. А. Фридман)
А. А. Фридман обнаружил еще одно следствие из теории Эйнштейна: замкнутое трехмерное пространство Вселенной не может быть стационарным, а должно расширяться, раздуваться - как растягивается замкнутая двумерная поверхность воздушного детского шарика при его надувании. Расширяется ли наша Вселенная на самом деле и почему расширяется - доказать и объяснить это Фридман предоставил другим. Он говорил, что его дело - решать уравнения, а разбираться в физическом смысле решений должны другие специалисты - физики, астрономы.
Согласно модели (называемой моделью Фридмана), которую предпочитал Эйнштейн, Вселенная содержит достаточно вещества, чтобы быть искривленной настолько, что она замыкается на саму себя, как, например, воздушный шарик. Если надувать такой шарик, то любая картинка, нарисованная на его поверхности, увеличивается в размере, сохраняя при этом те же пропорции между своими частями. Каким-нибудь муравьям, живущим в таком мире, покажется, что они друг от друга удаляются, но ни один из них не будет иметь достаточного основания считать себя центром Вселенной. Согласно представлениям этой модели, расширение Вселенной должно прекратиться примерно через 40 млрд. лет, после чего должно начаться сжатие, в результате чего еще через 100 млрд. лет Вселенная снова окажется в состоянии большой плотности.
Основная трудность, которая встречается при объяснении модели Фридмана, возникает при определении того, что собой представляет внутренний объем воздушного шарика. В нашем мире можно передвигаться вдоль трех направлений: север - юг, запад - восток, вверх - вниз; в мире, который расположен на поверхности воздушного шарика, остаются только первые два. Третье направление (измерение) используется здесь для обозначения кривизны и носит, таким образом, лишь методический характер. Поэтому, хотя наша Вселенная также имеет кривизну, но необходимость введения каких-либо измерений, кроме привычных трех, существует лишь с методической или математической точек зрения; как учили Гаусс и Риман, нет смысла покидать наш мир, чтобы познавать его свойства.
Поскольку гравитационные взаимодействия являются доминирующими на мегауровне организации материи, космологические модели Вселенной должны строиться в соответствии с требованиями теории относительности на основе реально наблюдаемых астрофизических явлений, таких как:
1. Однородность и изотропность космического пространства.
2. Конечная интенсивность светового потока, приходящего из космоса.
3. Красное смещение в спектрах излучения далеких звезд.
4. Существование реликтового излучения (однородного и изотропного фона электромагнитных волн, соответствующего температуре около 3К).
А. Эйнштейном была предложена модель Вселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводят к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрической модели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была усовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, предположившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) - модель замкнутой гиперсферы.
На сегодняшний день наиболее популярна предложенная Фридманом модель расширяющейся Вселенной (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нет необходимости во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются две ее модификации:
1. Замкнутая модель (геометрический аналог - расширяющаяся гиперсфера) предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию.
В настоящее время предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегание. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например, за счет ненулевой массы покоя нейтрино).
3. Концепция расширяющейся Вселенной
Итак, Хаббл в результате целой серии кропотливых измерений обнаружил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее, с коэффициентом пропорциональности, равным примерно 20 км/с на миллион световых лет. Например, галактика, находящаяся на расстоянии в 100 млн. световых лет, удаляется от нас со скоростью 2000 км/с. Обнаружены квазары, которые удаляются от нас со скоростью 285000 км/с и которые, следовательно, находятся на расстояниях порядка 10 млрд. световых лет.
Открытие Хаббла окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, ранее получившее сильный удар при открытии эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга для утверждения сил небесных, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам.
Удаляясь со скоростью 20 км/с, галактика проходит примерно 600 млн. км за год, или 60 световых лет за миллион лет; на то, чтобы преодолеть (при постоянной скорости) тот миллион световых лет, который нас разделяет, ей, по-видимому, понадобилось несколько меньше, чем 20 млрд. лет. Следовательно, около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, поскольку (согласно закону Хаббла) галактики, которые находятся на расстояниях в десять раз больше других, имеют в десять же раз большую скорость; следовательно, время удаления одинаково для всех галактик.
Наличие разбегания галактик в настоящее время требует предположения о том, что в прошлом вещество Вселенной было более плотным. Экстраполяция наблюдаемых скоростей на значительно более ранние периоды позволяет оценить время, когда это расширение началось в результате Большого Взрыва - около 25 млрд. лет назад. Известные на сегодняшний день законы физики позволяют воспроизвести достаточно правдоподобный сценарий расширения, начиная с нескольких тысячных секунды после Большого Взрыва (что происходило до этого, напр. предшествовало ли ему сжатие предыдущего цикла, на современном этапе развития естествознания не обсуждается, поскольку не может быть хотя бы косвенно проверено экспериментом).
Теория горячей Вселенной была первоначально разработана Г. А. Гамовым и др. для объяснения наблюдаемого химического состава Вселенной. Ведь первоначально все вещество представляло собой в основном водородную плазму, а затем, в эпоху так называемого нуклеосинтеза, образовались ядра более тяжелых химических элементов - различных изотопов гелия и лития. К ядрам водорода, которые представляют собой одиночные протоны, примешались также более сложные ядра дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Так в нашем мире появилось разнообразие химических элементов. Однако пройдет еще немало времени, прежде чем образуются первые звезды, в которых в процессе эволюции родится все многообразие химических элементов, наблюдаемых сегодня.
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Наш вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом, то есть к моменту времени, когда применение физических законов становится уже разумным. Спустя всего одну сотую секунды после начала космос занимал гораздо меньший объем, чем теперь, и был заполнен сжатым веществом при температуре в миллиарды градусов с плотностью в триллионы раз выше, чем плотность воды. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы, которые были бы разрушены бурным тепловым движением. Расширение Вселенной происходило с очень большой скоростью. Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование атомных ядер. Спустя еще миллион лет температура упала ниже трех тысяч градусов, и началось образование атомов. Бросив взгляд вокруг себя в ту эпоху, мы увидели бы пространство, заполненное облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Еще через миллиард лет началось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде.
Заключение
Астрономические наблюдения чёрных дыр затруднены, поскольку такие объекты не излучают свет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное для компонент двойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что её роль играет черная дыра или не излучающая нейтронная звезда.
Помимо перечисленных обнаружен ряд астрофизических объектов, свойства которых не укладываются в приведенные схемы - квазары. Наблюдаемое их излучение аналогично пульсарному, но очень сильно смещено в красную область. Величина красного смещения указывает на то, что квазары находятся так далеко, что их наблюдаемая яркость соответствует излучению, превосходящему по интенсивности излучения галактического скопления. В то же время наличие быстрых изменений интенсивности ставит вопрос о механизме согласования излучения элементами системы, размеры которой должны составлять тысячи световых лет.
Список литературы
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
3. Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.
4. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.
5. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.
6. Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.
7. Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. М.,1975
8. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
9. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.,1990.
10. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.,1985.
11. Степин В.С. Философская антропология и философия науки. М.,1992.
12. Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.,1992.
Подобные документы
История развития представлений о Вселенной. Космологические модели происхождения Вселенной. Гелиоцентрическая система Николая Коперника. Рождение современной космологии. Модели Большого взрыва и "горячей Вселенной". Принцип неопределенности Гейзенберга.
реферат [359,2 K], добавлен 23.12.2014
Идеи современной физики. Основные этапы развития представлений о Вселенной. Модель Птолемея, Коперника. Эпоха Великих географических открытий. Релятивистская космология (А. Эйнштейн, А. А. Фридман). Концепция расширяющейся Вселенной, "Большого Взрыва".
реферат [42,4 K], добавлен 07.10.2008
Характеристика наиболее известных моделей Вселенной: модель де-Ситтера, Леметра, Милна, Фридмана, Эйнштейна-де Ситтера. Космологическая модель Канта. Теория Большого взрыва. Календарь Вселенной: основные эры в развитии Вселенной и их характеристика.
презентация [96,5 K], добавлен 17.11.2011
Сущность и основные концепции космологии, этапы ее изучения и современные знания, гипотезы и выводы из них. Модель горячей Вселенной, ее преимущества и несовпадения. Структура и основные компоненты Вселенной, порядок взаимодействия и методы исследования.
реферат [22,5 K], добавлен 05.05.2009
Модель Большого Взрыва как модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется, ее преимущества и недостатки. Расширяющаяся Вселенная, теории рождения и гибели, их сторонники.
курсовая работа [182,1 K], добавлен 27.11.2010
Сущность понятия "Вселенная". Изучение истории развития крупномасштабной структуры Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной. Теория большого взрыва (модель горячей Вселенной). Причина расширения в рамках ОТО. Теория эволюции крупномасштабных структур.
контрольная работа [19,8 K], добавлен 20.03.2011
Космология как наука о Вселенной, методика и закономерности изучения. Структура и составные части Вселенной, законы взаимодействия, существующие модели. Теории эволюции Вселенной, их отличительные особенности и доказательства, современные исследования.
С самых ранних веков человечество задавалось вопросами о том, какое место оно занимает в мире, что его окружает и как это называется. Звёзды и планеты являются частицами Вселенной, в которой мы находимся. Знания об этих элементах, теории о возникновении мира, физические гипотезы, математические законы, философия – все это впоследствии включилось в одну единую науку. Её назвали космология. Но что собой представляет современная космология и на чём она основана?
Космология
Как возникла современная космология
Если говорить о периоде, когда вышеназванная наука получила наибольшее развитие, то стоит сказать о 20 веке. Тогда Альберт Эйнштейн выдвинул сразу несколько теорий относительно Вселенной. Впоследствии он доказал их на примере уравнения гравитационного поля. Обозначенные исследования были связаны с общей теорией относительности, которая на тот момент получила общественную огласку.
Альберт Эйнштейн
В своем первой работе (Космологические соображения к общей теории относительности) Эйнштейн вывел три предположения. В них он рассматривал Вселенную однородной, стационарной и изотропной.
Прежде всего, для доказательства сказанного он использовал уравнения гравитационного пола — ввёл дополнительную переменную. В итоге, удалось получить решение задачи. Именно оно послужило доказательством его предположений.
Получается, что Вселенная имеет определенные границы и положительную кривизну.
Однако, на этом исследования не закончились. Следующим работу над уравнением продолжил Александр Александрович Фридман (1922 г). Он выдвинул другое, нестационарное решение. По его мнению, Вселенная расширялась из начальной сингулярности.
Физик Александр Александрович Фридман
Между прочим, предположение Фридмана подтвердилось — когда Эдвин Хаббл открыл космологическое красное смещение. За счет вышеназванных открытий удалось получить актуальную по сей день теорию Большого Взрыва. Если говорить обобщенно, фундаментом современной космологии являются именно открытия 20 века. Несмотря на то, что начало изучения науки было положено в гораздо более ранние времена.
На самом деле современная космология установила возраст Вселенной. Как оказалось, он составляет 13,8 миллиарда лет.
Принятая в настоящее время периодизация
На данный момент самой ранней эпохой считается планковское время. Потому как наиболее ранние теоретические идеи возникли именно в этот период. Согласно имеющимся данным, в этом периоде гравитационное взаимодействие стало самостоятельным. К тому же, оно отделилось от остальных фундаментальных сил.
Следующий период обозначается в науке, как появление первых частиц кварков и разделение сил взаимодействия. Так как эпоха обусловлена более поздним промежутком времени, то ученые смогли получить достаточно подробное описание всех происходящих тогда процессов.
Последний же отрезок характеризуется созданием небесных тел (звезд), галактики и Солнечной системы в целом. Более того, это время и по сей день считается незавершённым.
Стоит отметить, что одной из одной из важнейших эр для эволюции Вселенной является эра рекомбинации. Именно в это время Вселенная стала прозрачной для излучения. А значит его можно увидеть, например, в виде реликтового фона. Подобный эксперимент стал наглядным подтверждением наличия моделей Вселенной.
Реликтовое излучение
Как развивалась современная наука космология
Прежде, чем перейти к современным достижениям в области космологии, стоит сказать о некоторых других этапах исследований.
В первую очередь нужно отметить труды Николая Коперника (15 век). В своих работах он обобщил все накопленные за прошлые периоды знания. Сюда же вошли труды Самосского, Леонардо да Винчи, Гераклита и Кузо. Основой идеи стало то, что Солнечная система была инерциальной. То есть, в центре находилось солнце. вокруг которого двигались планеты, в том числе и Земля.
Солнечная система
Несколько позднее свой вклад внёс Кеплер. В конце концов, он основал три важнейшие теории. На самом деле именно их впоследствии использовал Ньютон для законов динамики.
В остальном же, другие наиболее существенные открытия произошли в 20 веке. Как мы уже упоминали выше, первыми своими наработками поделились Эйнштейн, Фридман и Хаббл. Далее же Фриц Цвикки выдвигает идею о существовании определенного вещества — тёмной материи. Она не реагирует с электромагнитным излучением, но участвует в гравитационном воздействии.
Тёмная материя
Следующими выделились Гамов (с теорией горячей Вселенной), Пензиас и Вилсон (открыли изотропный источник помех в радиодиапазоне).
В заключении, можно сказать что физические законы достаточно плотно связаны с космологией. Многие результаты и доказательства теорий были обоснованы именно с физической точки зрения.
Основные концептуальные взгляды космологии
На самом деле идей возникновения Вселенной несколько. Одну из них можно назвать теологической. То есть той, которая прописана в Библии. Согласно писаниям, до определенного момента Вселенная была скрыта от других и являлась чем-то невидимым, недостижимым для чужих глаз.
Вселенная
Другие же предположения исходили из научных соображений. Первым был Эйнштейн, утверждавший, что Вселенная находится в стационарном положении. Впоследствии его опроверг Фридман, доказавший её сужение и расширение за счёт определенных движений. Далее, по результатам исследований Хаббла, выяснились наиболее точные расстояния от других галактик и была создана теория Большого взрыва.
§ 27. О сновы современной космологии
П о сути дела, существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи. Геоцентрическая система Аристотеля—Птолемея стала первой научно обоснованной космологической моделью Вселенной. Спустя 1500 лет её сменила новая космологическая модель — гелиоцентрическая система, предложенная Коперником.
Космология — раздел астрономии, который изучает строение и эволюцию Вселенной в целом, используя при этом методы и достижения физики, математики и философии.
Теоретические модели, описывающие наиболее общие свойства строения и эволюции Вселенной, проверяются астрофизическими методами наблюдений. Очевидно, что выводы космологии имеют важное значение для формирования современной научной картины мира.
Александр Александрович Фридман
Теоретическим фундаментом современной космологии явилась созданная Альбертом Эйнштейном (1879—1955) в начале XX в. общая теория относительности — релятивистская теория тяготения. Наиболее существенным отличием современных космологических моделей, первые из которых были разработаны Александром Александровичем Фридманом (1888—1925) на основе теории Эйнштейна, является их эволюционный характер. Идея глобальной эволюции Вселенной оказалась столь необычной, что первоначально не была принята даже самим создателем теории относительности, таким выдающимся учёным, как Эйнштейн.
Даже позднее, когда стало очевидно, что все объекты во Вселенной изменяются с течением времени, казалось, что процессы, происходящие в её отдельных составных частях, не меняют облика всей Вселенной.
Эта идея была для Эйнштейна настолько очевидной, что для уравнений теории относительности, применённых ко всей Вселенной, он стал искать решения, описывающие её состояние, не меняющееся со временем. Для того чтобы уравновесить силы тяготения, он предположил, что кроме них во Вселенной существует сила отталкивания. Эта сила должна быть универсальной, зависящей только от расстояния между телами и не зависящей от их массы. Ускорение, которое она будет создавать этим телам, должно быть пропорционально расстоянию: a = const • R . Так в уравнениях появилась обусловленная гипотетическими силами отталкивания космологическая постоянная — лямбда-член .
В 1922—1924 гг. российский математик Фридман вывел из общей теории относительности Эйнштейна уравнения, которые описывали общее строение и эволюцию Вселенной. Решения, полученные Фридманом для этих космологических уравнений, означали, что материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое — Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Суть этого вывода, сделанного на основе математически строгого решения уравнений, можно объяснить довольно просто, оперируя только привычными понятиями теории тяготения Ньютона.
Рис. 6.26. Объяснение нестационарности Вселенной
Будем исходить из предположения, что в больших масштабах распределение вещества во Вселенной можно считать однородным. Тогда галактика, которая находится на поверхности шара произвольного радиуса, притягивается к его центру согласно закону всемирного тяготения с силой, прямо пропорциональной массе шара M и обратно пропорциональной квадрату его радиуса R . Все остальные галактики, лежащие вне этого шара, не меняют величины этой силы. Для доказательства этого важного утверждения произвольно выделим во Вселенной шаровой слой толщиной h такого радиуса, чтобы внутри него оказались не только галактика A , но и весь шар радиусом R (рис. 6.26). Рассмотрим силы тяготения, действующие на галактику A со стороны тех галактик, которые расположены в этом слое в противоположных от неё направлениях. Эти силы создаются галактиками, расположенными в объёме элементов слоя V 1 и V 2 . Сравним объём и массу этих элементов. Толщина их одинакова — h , а площади S 1 и S 2 и объёмы пропорциональны квадратам расстояний от галактики до поверхности слоя — r 1 и r 2 :
= = .
Так как распределение галактик во Вселенной считается однородным, отношение масс этих элементов будет таким же:
= .
Силы, с которыми эти массы притягивают галактику A , согласно закону всемирного тяготения равны:
F 1 =
F 2 = ,
где m — масса галактики A .
Запишем отношение этих сил
=
и, подставив в него значение = , получим
= 1,
Таким образом, эти силы, равные по абсолютной величине и направленные в противоположные стороны, уравновешивают друг друга. Значит, галактики, находящиеся вне шара радиусом R , не влияют на величину силы, с которой галактика A притягивается галактиками, находящимися внутри этого шара.
Следовательно, можно написать следующее выражение для ускорения, которое имеет одна из этих галактик по отношению к галактике, расположенной в его центре:
a = – .
Теоретические выводы Фридмана получили важное наблюдательное подтверждение в открытом Хабблом законе пропорциональности скорости удаления галактик их расстоянию:
Этот закон не выполняется только для нескольких ближайших галактик, включая туманность Андромеды.
Выберем в пространстве, занятом галактиками, произвольно направленную прямую, которая проходит через нашу Галактику (рис. 6.27). На этой прямой окажется несколько галактик, которые удаляются со скоростями, подчиняющимися закону Хаббла, от нашей Галактики A (рис. 6.27, а ). Теперь попробуем представить, какую картину разбегания галактик мы увидим, если перенесёмся на галактику B . Для того чтобы определить скорости всех галактик относительно неё, надо из скоростей, изображённых на рисунке 6.27, а , вычесть скорость галактики B (рис. 6.27, б ). Полученная картина, которая представлена на рисунке 6.27, в , принципиально не отличается от предыдущей: скорости удаления галактик по-прежнему пропорциональны расстояниям.
Рис. 6.27. Расширение Вселенной
Для того чтобы узнать, когда примерно началось наблюдаемое расширение, необходимо воспользоваться постоянной Хаббла H . Галактика, находящаяся от нас на расстоянии R , удаляется со скоростью HR . Следовательно, разделив расстояние, пройденное галактикой с момента начала расширения, на её скорость, мы получим:
Величина, обратная постоянной Хаббла, даёт примерную оценку времени, которое прошло с момента начала расширения Вселенной. Нетрудно подсчитать, что это время составляет примерно 13,5 млрд лет.
Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе друг к другу, чем теперь. В ещё более раннюю эпоху плотность вещества была так велика, что во Вселенной не могло существовать ни галактик, ни звёзд и никаких других наблюдаемых ныне объектов. Расчёты прошлого, проведённые на основе космологических моделей Фридмана, показывают, что в момент начала расширения Вселенной её вещество должно иметь огромную (бесконечно большую) плотность.
Перед наукой встала задача изучения тех физических процессов, которые происходят в расширяющейся Вселенной на разных этапах её эволюции вплоть до современности, а также тех, которые предстоят во Вселенной в будущем.
Георгий Антонович Гамов
В 1948 г. в работах Георгия Антоновича Гамова (1904—1968) и его сотрудников была выдвинута гипотеза о том, что вещество во Вселенной на начальных стадиях расширения имело не только большую плотность, но и высокую температуру. Так, спустя 0,1 с после начала расширения температура была около 3 • 10 10 К. При столь высокой температуре взаимодействие фотонов высокой энергии, которых в горячем веществе было много, приводило к образованию пар всех известных частиц и античастиц: электрон — позитрон, нейтрино — антинейтрино и т. п. При аннигиляции этих пар снова рождались фотоны, а протоны и нейтроны, взаимодействуя с ними, превращались друг в друга.
При очень высокой температуре сложные атомные ядра существовать не могут — они моментально были бы разрушены окружающими энергичными частицами, поэтому не образуются даже ядра дейтерия, хотя нейтроны и протоны существуют.
По мере расширения плотность вещества и его температура уменьшаются. Позднее, когда температура в расширяющейся Вселенной опустится ниже 1 млрд К, станет возможным сохранение некоторого количества ядер дейтерия и, следовательно, образование гелия. Согласно расчётам, к этому моменту нейтроны составят примерно 15% массы всего вещества. Остальное вещество — протоны (ядра атомов водорода). Соединение равного количества протонов и нейтронов приведёт к образованию дейтерия, а в процессе следующих ядерных реакций образуются ядра гелия. Рассматривая ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения, удалось рассчитать, что в процессе этих реакций могли образоваться только водород и гелий. Спустя пять минут после начала расширения, когда температура во Вселенной становится недостаточной для термоядерных реакций, вещество состоит из смеси ядер водорода (70% массы) и ядер гелия (30%). Таким его состав остаётся до того времени, пока не происходит образование звёзд и галактик.
Обнаружение реликтового излучения — очень важное, но не единственное достижение космологии за последние десятилетия. К их числу относится теоретическое исследование крупномасштабной структуры Вселенной, проведённое академиком Я. Б. Зельдовичем и его учениками. В процессе эволюции Вселенной флуктуации плотности вещества под действием гравитации должны постепенно превращаться в объекты, напоминающие по своей форме блины. Наблюдения подтвердили, что именно такие структуры образуют во Вселенной галактики, их скопления и сверхскопления.
Теория горячей расширяющейся Вселенной, которая опирается на работы А. А. Фридмана и Г. А. Гамова, стала общепризнанной, хотя не cмогла дать ответ на два важных вопроса: в чём первопричина взаимного удаления галактик и как в дальнейшем будет происходить расширение Вселенной.
Найти ответы на эти вопросы удалось новому поколению учёных. Оба ответа оказались весьма неожиданными. В 1965 г. российский физик-теоретик Э. Б. Глинер выдвинул гипотезу, согласно которой начальным состоянием Вселенной был вакуум. Дальнейшие исследования показали, что для гравитационных сил вакуума характерно не привычное всем притяжение, а отталкивание.
Чтобы ответить на второй вопрос, необходимо было установить зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё. В первом приближении она выражается законом Хаббла: v = HR . Чтобы проверить, насколько эта зависимость выполняется для наиболее удалённых объектов, необходимо определить скорость галактики и её расстояние независимо друг от друга. Измерения тригонометрического параллакса для определения расстояния до галактик непригодны. Для таких огромных расстояний используется метод фотометрического параллакса. Поток фотонов, приходящих от источника излучения и регистрируемых наблюдателем, обратно пропорционален квадрату расстояния до источника. Если известна мощность излучения (светимость) наблюдаемого объекта, то, измерив поток света, можно вычислить, на каком расстоянии этот объект находится.
Рис. 6.28. Ускоренное расширение Вселенной
Открытие антитяготения, которое оказалось неожиданным для большинства людей, подтвердило предвидение А. Эйнштейна.
Развитие современной космологии в очередной раз показало безграничные возможности человеческого разума, способного исследовать сложнейшие процессы, которые происходят во Вселенной на протяжении миллиардов лет.
Читайте также: