Стандартная модель вселенной реферат

Обновлено: 05.07.2024

Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

Содержание работы

Список использованной литературы……………………………………………………. 15

Файлы: 1 файл

реферат концепции.docx

Космологические модели вселенной

Предмет космологии………………………………….……………… ………………….4
Исторические модели Вселенной. ……………………………………………………..6
Космологическая модель Эйнштейн – Фридман. …………………………………….8
Эффект Доплера. ……………………………………………………………………….10
Модель большого взрыва……………………………………………………………. .12

Список использованной литературы…………………………………………………… . 15

Предмет космологии.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Исторические модели Вселенной

Предполагалось, что пространство – абсолютно, однородно и изотропно, а время – абсолютно и однородно. Это устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном, так и во временном понимании. Бог создал – и все! С материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии – это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялось как жесткий каркас (они же абсолютные!) и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала некоторый дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм).

Космологическая модель Эйнштейна – Фридмана

Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. В качестве следствия его формулировки общей теории относительности (ОТО). Эйнштейн показал, что общая теория относительности однозначно объясняет возможность существования статистической Вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы это сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердило это.

Эффект Доплера

Американский астроном Э. Хаббл (1889 - 1953) установил в 1929 г. Закон:

Где V- лучевая скорость, r- расстояние до объекта, H- постоянная Хаббла, равная ~ (3 -5) 10 -18 степени с -1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H можно определить возраст Вселенной (t~1/H), , который оценивается в 40 – 20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

В работах известного американского физика Г.А. Гамова (1904- 1968), русского по происхождению исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Особенности развития космологии нашли отражения в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере её моделей.

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

Связь между космологией и физикой заключается в том, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная космология

Классическая ньютоновская космология предполагала статичность, пространственной устойчивости вещества во Вселенной, распределение которой считалось равномерным. Она была представлена теорией иерархической Вселенной Шарлье, в основу которой была положена теория механики и модифицированная теория гравитации Ньютона. Основными постулатами классической ньютоновской космологии являются:

• Вселенная - это всесуществующая. Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Ньютоновская космологическая картина мира продолжала оставаться господствующей вплоть до начала 20-го столетия.[1]

Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке релятивистской теория тяготения или Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, физики элементарных частиц, а также внегалактической астрономией.

На первом этапе развития релятивистской космологииглавное внимание уделялось геометрии Вселенной (кривизна пространства-времени и возможная замкнутость пространства). В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространенно бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя.

Стандартная модель Вселенной

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения.

Стандартная модель состоит из следующих положений:

· Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков.

· Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

· Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований.

· В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших.[3]

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту, а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя.

Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

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

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

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

2. Экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

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

Если Вселенная расширяется, значит, она возникла в определенный момент времени. Все существующее в мире вещество образовалось за доли секунды в бесконечно малом объеме и тут же начало разлетаться во все стороны с непредставимо высокой скоростью. В ходе этого расширения Вселенной ее вещество, исходно обладающей высочайшей температурой, стало остывать. По мере охлаждения мельчайшие элементарные частицы объединились в протоны и нейтроны, которые в свою очередь, образовали атомы газов водорода и гелия. На их долю и сейчас приходится основная масса Вселенной.[4]

Инфляционная концепция

Инфляционная концепция проникает в более ранние этапы времени зарождения Вселенной, т.е. со времени вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях возникновения, Вселенная имела неустойчивое, вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Полагается, что эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, т.е. как бы из ничего.

Если говорить о физическом вакууме, то в этом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но с другой стороны это не является безжизненной пустотой. Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д. Тем не менее, в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Исходя из этого, что вакуум наполнен этими виртуальными частицами, взаимодействующими между собой, вводят понятие энергетических уровней вакуума. В соответствии с этим, энергия имеющаяся в вакууме, расположена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням и происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Несмотря на то, что такое состояние вакуума является неустойчивым и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Именно эти процессы ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории расширение Вселенной в 10 50 раз, больше чем полагалось в концепции большого взрыва. Согласно этой теории идет гигантское расширение с образованием гигантской энергии и при этом происходит понижение температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной. Полагается, что температура нагрева достигала порядка 10 27 К.[5]

В заключении хочется сказать, что в современной космологии существует множество разных теорий и предположений, которые имеют право на существование. Каждая из них может быть как экспериментально доказана, так и опровергнута, поэтому придерживаться какого-то одного мнения не разумно и следует изучить все точки зрения. Современность развивается и по сей день и возможно будет выдвинуто еще много концепций и моделей зарождения Вселенной, но пока человечество придерживается тех, что существуют в настоящее время.

Список использованной литературы:

1. Ацюковский В. А. Эфиродинамические основы космологии и космогонии. М.: Петит, 2006 – 292 с

2. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. / Горбачев В.В. 2-е изд., испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век, Мир и Образование, 2005. —672 с.

3. Канке В.А. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / В.А. Канке. - Изд. 2-е, испр., М.: Лотос, 2002. - 368 с.

4. Павленко А.Н. Современная космология: проблемы обоснования // Астрономия и современная картина мира. М.: ИФ РАН, 1996 - с. 505

5. Рузавин Г.И. / КосмологическиемоделиВселенной / Концепции современного естествознания: Учебник для вузов – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007.- 287 с.

[1] Павленко А.Н. Современная космология: проблемы обоснования // Астрономия и современная картина мира. М.: ИФ РАН, 1996 - с. 56-83.

[2] Ацюковский В. А. Эфиродинамические основы космологии и космогонии. М.: Петит, 2006 – с 101

[4] Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. / Горбачев В.В. 2-е изд., испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век, Мир и Образование, 2005. — с.79

[5] Канке В.А. Концепциисовременногоестествознания: учеб. для вузов / В.А. Канке. - Изд. 2-е, испр., М.: Лотос, 2002. - с.58

Файлы: 1 файл

Реферат Вселенная.doc

2. МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

Когда мы говорим о Вселенной, нас в первую очередь интересует распределение вещества в самых больших масштабах и ее движение. Значит, нам предстоит построить математическую модель, описывающую распре

деление вещества в пространстве и его движение. Что касается распределения вещества в больших масштабах, то, как уже было сказано, его можно с хорошей точностью считать однородным по пространству. Нет во Вселенной и каких-либо выделенных направлений. Как говорят, наша Вселенная однородна и изотропна. Что определяет движение вещества в космических масштабах? Конечно же, это, в первую очередь, силы всемирною тяготения — они главенствуют во Вселенной. Их называют также силами гравитации.

Итак, для построения модели Вселенной необходимо воспользоваться уравнениями тяготения. Закон всемирного тяготения был установлен И. Ньютоном. Его справедливость подтверждалась на протяжении веков самыми разнообразными астрономическими наблюдениями и лабораторными экспериментами. Однако А. Эйнштейн показал, что закон тяготения Ньютона справедлив лишь в сравнительно слабых полях тяготения. Для сильных же полей необходимо применять релятивистскую теорию гравитации — общую теорию относительности. Какие же поля следует считать достаточно сильными? Ответ таков: если поле тяготения разгоняет падающие в нем тела до скоростей, близких к скорости света, то это сильное поле. Какова сила гравитационного поля во Вселенной? Легко показать, что поля там должны быть огромными.

А. А. Фридман воспользовался для построения модели Вселенной уравнениями Эйнштейна. Однако много лет спустя выяснилось, что для построения механики движения масс в однородной Вселенной нет необходимости использовать сложнейший математический аппарат теории Эйнштейна. Это было показано в 1934 г. Э. Милном и В. Маккри. Причина этой удивительной возможности состоит в следующем. Сферически-симметричная материальная оболочка не создает никакого гравитационного поля во всей внутренней полости.

Теперь обратимся к рассмотрению сил тяготения во Вселенной. В больших масштабах распределение вещества во Вселенной можно считать однородным. Рассмотрим сначала силы тяготения, создаваемые на поверхности шара только веществом самого шара, и не будем пока рассматривать все остальное вещество Вселенной. Пусть радиус шара выбран не слишком большим, так что поле тяготения, создаваемое веществом шара, относительно слабо и применима теория Ньютона для вычисления силы тяготения. Тогда галактики, находящиеся на граничной сфере, будут притягиваться к центру шара с силой, пропорциональной массе шара, и обратно пропорциональной квадрату его радиуса.

Теперь вспомним обо всем остальном веществе Вселенной вне шара и попытаемся учесть силы тяготения, им создаваемые. Для этого будем рассматривать последовательно сферические оболочки все большего и большего радиуса, охватывающие шар. Но, как было сказано выше, что сферически-симметричные слои вещества никаких гравитационных сил внутри полости не создают. Следовательно, все эти сферически-симметричные оболочки (т. е. все остальное вещество Вселенной) ничего не добавят к силе притяжения, которое испытывает галактика на поверхности шара к его центру. Такой же вывод справедлив в общей теории относительности. Теперь ясно, почему для вывода законов движения масс в однородной Вселенной можно воспользоваться теорией Ньютона, а не Эйнштейна.

Мы выбрали шар достаточно малым, чтобы была применима теория Ньютона для вычисления гравитационных сил, создаваемых его веществом. Массы остальной Вселенной, окружающие шар, на силы гравитации в данном шаре никак не повлияют. Но никаких других сил в однородной Вселенной вообще нет. Действительно, это могли бы быть только силы давления вещества. Но даже если давление есть (а в далеком прошлом давление во Вселенной было огромным), то оно не создает гидродинамической силы. Ведь такая сила возникает только при перепаде давления от места к месту. Вспомним, что мы не чувствуем никакой силы от большого давления нашей атмосферы из-за того, что внутри нас воздух создает точно такое же давление. Никакого перепада нет — нет и силы. Но наша Вселенная однородна. Значит, в любой момент времени и плотность, и давление (если оно есть) везде одинаковы, и никакого перепада давлений быть не может.

Итак, для определения динамики вещества нашего шара существенно только тяготение его массы, определяемое по теории Ньютона. Но Вселенная однородна. Это значит, что все области ее эквивалентны. Если определить движение вещества в данном шаре, можно найти, как меняются в нем плотность, давление, то тем самым найдем изменение этих величин и в любом другом месте, во всей Вселенной.

3. ПЕРВАЯ КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ - МОДЕЛЬ ЭЙНШТЕЙНА

Первая космологическая модель была построена А. Эйнштейном в 1917 г. вскоре после создания им Общей теории относительности. Как и все тогда, он считал, что Вселенная должна быть стационарна, она не может

Исходя из таких соображений, Эйнштейн ввел космическую силу отталкивания, которая делала мир стационарным. Эта сила универсальна: она зависит не от массы тел, а только от расстояния, их разделяющего. Ускорение, которое эта сила сообщает любым телам, разнесенным на расстояние, должно быть пропорционально расстоянию. Силы отталкивания, если они, конечно, существуют в природе, можно было бы обнаружить в достаточно точных лабораторных опытах. Однако малость величины делает задачу ее лабораторного обнаружения совершенно безнадежной. Действительно, это ускорение пропорционально расстоянию и в малых масштабах ничтожно. Легко подсчитать, что при свободном падении тела на поверхность Земли добавочное ускорение в 10 30 раз меньше самого ускорения свободного падения. Даже в масштабе Солнечной системы или всей нашей Галактики эти силы ничтожно малы по сравнению с силами тяготения.. Разумеется, это отталкивание никак не сказывается на движении тел Солнечной системы и может быть обнаружено только при исследовании движений самых отдаленных наблюдаемых галактик.

Так, в уравнениях тяготения Эйнштейна появилась космологическая постоянная, описывающая силы отталкивания вакуума. Действие этих сил столь же универсально, как и сил всемирного тяготения, т. е. оно не зависит от физической природы тела, на котором проявляется, поэтому логично назвать это действие гравитацией вакуума.

Через несколько лет после работы Эйнштейна, А. А. Фридманом была создана теория расширяющейся Вселенной. А. Эйнштейн сначала не соглашался с выводами советского математика, но потом полностью их признал.

После открытия Э. Хабблом расширения Вселенной какие-либо основания предполагать, что в природе существуют космические силы отталкивания, казалось бы отпали.

Что будет, если из Вселенной убрать все вещество? На первый взгляд кажется, что такая операция совершенно абстрактна и получаемая модель будет соответствовать лишь воображению теоретиков. Но это вовсе не так и ничего фантастического или тем более наивного в такой операции нет. В истории Вселенной, по-видимому, был период, когда она была практически пуста, свободна от обычной физической материи, и модель пустой Вселенной описывала тогда ее эволюцию.

Итак, следуя де Ситтеру, уберем из Вселенной все вещество. Поместим в нашу пустую Вселенную две свободные пробные частицы на расстоянии друг от друга. Частицы называются пробными, так как предполагается, что их массы достаточно малы, чтобы не влиять на их относительное движение, а свободными они называются потому, что на них не действует никакая сила, кроме гравитации. Во Вселенной это могут быть, например, две галактики, расположенные достаточно далеко друг от друга. Тогда отрицательная гравитация заставляет обе галактики двигаться друг от друга с ускорением, пропорциональным расстоянию. Если по ускорению найти скорость, а затем изменение расстояния со временем, то легко показать, что относительная

Введение…………………………………………………………………………. 3
1.Стандартная модель…………………………………………………………….5
2.Стандартная модель Вселенной вызывает сомнения………………………..19
Заключение…………………………………………………………….…………22
Список используемой литературы……………………………………………. 23

Сегодняшние научные представления о Вселенной сводятся к так называемойстандартной модели. На прошедшем в Лиссабоне астрономическом конгрессе были представлены данные измерений, в эту модель не укладывающиеся.
Все наши представления о Вселенной и о действующих в ней физических законах основаны на разработанной учеными так называемой стандартной модели, в которой первостепенную роль играют фундаментальные физические постоянные. Наверное, самым известным примеромтакой константы является скорость света в вакууме, однако есть и другие, ничуть не менее важные. Скажем, так называемые константы связи - параметры, характеризующие силу взаимодействия частиц или полей.
Частиц - сотни, взаимодействий - всего четыре
Согласно сегодняшним представлениям физиков, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного видавзаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется уже сотнями, и ученые открывают все новые. Зато видов фундаментальных взаимодействий между частицами известно всего четыре: гравитация, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.
Первые два вида взаимодействия едва ли нуждаются в пояснениях, поскольку с ними мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни. Что же касаетсядвух других видов взаимодействия, то следует, видимо, напомнить: сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие ядра атомов; а слабое взаимодействие расталкивает их. И каждый из этих видов взаимодействия характеризуется определенной константой. Правда, среди физиков не утихают споры о том, действительно ли значения этих констант неизменны во времени.
Речь идет, преждевсего, о так называемой константе тонкой структуры. Эта безразмерная величина, обозначаемая буквой (альфа), характеризует силу электромагнитного взаимодействия, то есть определяет тонкое расщепление энергетических уровней атома (и, соответственно, спектральных линий).

Читайте также:

Стандартная модель вселенной реферат

Содержание работы

Файлы: 1 файл

реферат концепции.docx

Оглавление

Файлы: 1 файл

Реферат Вселенная.doc