Контрольная работа по Концепции современного естествознания № 1
Вариант № 13
на тему: Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции.
EMBED Word.Document.8 \s
Введение.
Космологические учения в нашей жизни, как раньше так и в настоящее время,играют не маловажную роль. С давних пор людей интересовал процесс происходения и эволюции Вселенной, этот вопрос всегда вызывал множество споров и разногласий.
Главной целью этой работы я считаю изучение множества моделей Вселенной и процесс их создания, расширения понятия Мегамир и Вселенной в целом.
Главной задачей является отслеживание пути создания различных моделей и понятие их основных критериев, доказательств на которых основывались ученые выдвигая гипотезы на всеобщее обсуждение.
EMBED Word.Document.8 \s
по космосу. В теории стационарной Вселенной это обстоятельство не имеет никакого значения, поскольку не приводит к каким-либо изменениям в строении Вселенной. Таким образом, из теории стационарной Вселенной следует, что между всеми данными наблюдений, относящимися к далеким и близким областям Вселенной, не должно быть систематических расхождений. Если бы удалось обнаружить, что, например, цвет галактик, их морфологический тип или абсолютная яркость систематически изменяются с расстоянием, то такое открытие опровергло бы теорию стационарной Вселенной.
Авторы теории стационарной Вселенной отвергают предположение о возможности синтеза ядер тяжелых элементов где-либо, кроме недр звезд. По их мнению, в космическом пространстве могут возникать лишь водород или свободные нейтроны. "Новое" вещество сразу же сгущается в облака, из которых образуются галактики и звезды. Синтез тяжелых элементов происходит только внутри звезд. При взрыве новых или сверхновых звезд часть ядер тяжелых элементов оказывается выброшеной в пространствою Поэтому в облаках межзвездной материи наряду с водородом обнаруживаются также и тяелые элементы.
Космологическая телрия Бонди и Хойла не предсказывает "тепловой смерти" Вселенной, поскольку бесконечную Вселенную, разумеется, нельзя считать изолированной системой. Кроме того, процесс происхождения вещества делает неверными все предпосылки, используемые при выводе первого и второго начала термодинамики.
Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала
Следующие постулаты:
Вселенная – это всесуществующая, "мир в целом". 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 претерпивает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
В ньютоновской космологии возникли два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной:гравитационный и фотометрический. Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, резрешает современная космология.
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, постоенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1961г. В основе модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы. Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.
Важным пунктом этой модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принцип относительности, гласящий, что во всех инерационных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно длвижутся эти системы друг относительно друга; эксперементально подтвержденное постоянство скорости света.
Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил в 1922г. петербургский физик и математик А.А.Фридман.На этот вывод не обращали внимания вплоть до открытия американсим астрономом Эдвином Хабблом в 1929г. так называемого красного смещения.
Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственноувеличивается. При излучении происходит "покраснение", т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени.Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что поддтверждало гипотезу об удалении их. т.е. о расширении Метагалактики.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не предоставляется возможным.
Сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной.
Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “Большим взрывом”.
Начальное состояние Вселенной: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой темературе, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц. Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
На вопрос: из чего же образовалась Вселенная, чем было то из чего она возникла, Библия утверждает, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское "ничего", и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется ввиду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Современная наука допускает, что все могло создаться из ничего, такая модель получила название инфляционной. "Ничего" в научной терминологии называется ВАКУУМОМ. Вакуум, который физика в XIXв. Считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях "рождать" вещественный частицы.
Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в "возбужденное состояние", в следствии чего в нем может образоваться поле, а из него – вещество.
Рождение Вселенной из "ничего" означает с современной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит случайная флуктация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения: поле постоянно испытывает флуктации, хотя среднее значение напряженности равно нулю.
Флуктация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно родлаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из "ничего", т.е. из "возбужденного вакуума". Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этомслучае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирического подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: "Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время". Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в том и в другом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась.Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.
Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.
Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.
Фотонная эра или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 1010 K,а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв,произошла только аннигиляция электронов и позитронов.Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации,потому,что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше,чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии
“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.
После “большого взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.
Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся.
Инфляционная модель.
Инфляционная модель Вселенной - гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого Взрыва (при температуре выше 1028К), предполагающая период ускоренного, по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной, расширения. Предложеная в 1981 году Аланом Гутом и Андреем Линде.
В рамках инфляционной модели был разрешен ряд проблем модели горячей Вселенной:
Благодаря крайне высоким темпам расширения на инфляционной стадии разрешается проблема крупномасштабой однородности и изотропности HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной: весь наблюддаёмый объём HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной оказывается результатом расширения единственной причинно связанной области доинфляционной эпохи.
На инфляционной стадии радиус пространственной кривизны увеличивается настолько, что современное значение плотности автоматически оказывается весьма близким к критическому, то есть разрешается проблема плоской HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной.
В ходе инфляционного расширения должны возникать флуктуации плотности с такой HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B0" \o "Амплитуда" амплитудой и формой HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80" \o "Спектр" спектра (так называемый, плоский спектр возмущений), что в результате возможно последующее развитие флуктуаций в наблюдаемую структуру HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной при сохранении крупномасштабной однородности и изотропности, то есть разрешается проблема крупномасштабной структуры HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной.
Наблюдения сверхновых звезд типа Ia, проведённые в HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/1998" \o "1998" 1998 г. в рамках HYPERLINK "http://supernova.lbl.gov/" \o "http://supernova.lbl.gov/" Supernova Cosmology Project показали, что HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%A5%D0%B0%D0%B1%D0%B1%D0%BB%D0%B0" \o "Закон Хаббла" постоянная Хаббла меняется со временем таким образом (ускорение расширения во времени), что даёт повод говорить о инфляционном характере расширения HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F" \o "Вселенная" Вселенной на современном этапе её эволюции. Неизвестный в настоящее время ( HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/2005" \o "2005" 2005 г.) фактор, способный вызвать такое поведение, получил название HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%91%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F" \o "Тёмная энергия" тёмная энергия.
Анализ структуры Вселенной.
Вселенной на самых различных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.
1. Метагалактика - совокупность звёздных систем (галактик), частью которой является всё множество (около 1 млрд.) галактик, доступных современным телескопам. Наша Галактика, или система Млечного Пути, — одна из звёздных систем, входящих в состав Метагалактики.
Средняя плотность вещества в известной нам части Метагалактика оценивается различными авторами от 10-31 до 10-30г/см3. Наблюдаются, однако, значительные местные неоднородности, иногда крупного масштаба, связанные с наличием структурных образований внутри Метагалактика Многие галактики составляют группировки различной степени сложности — двойные и более сложные кратные системы; скопления, включающие десятки, сотни и тысячи галактик; облака, содержащие десятки тысяч (и более) галактик. Так, например, наша Галактика и около полутора десятков ближайших к ней галактик являются членами небольшого скопления, т. н. местной группы галактик. О размерах, форме и строении Метагалактики в целом пока ничего не известно. Распределение галактик в масштабе всей известной части Метагалактики не обнаруживает систематического падения плотности в каком-либо направлении, что могло бы указывать на приближение к границам Метагалактики. Отсутствие такого падения плотности может свидетельствовать об относительно малых размерах известной нам области по сравнению с размерами Метагалактики. Каковы бы ни были эти размеры, Метагалактику нужно рассматривать как огромную, но конечную совокупность галактик, обладающую в течение длительного времени определёнными особенностями строения и движения. К таким особенностям может относиться и взаимное удаление галактик, охватывающее всю Метагалактику или её часть. Т.о., Метагалактика представляет собой конечное и преходящее структурное образование в вечной и бесконечной Вселенной, содержащей, в частности, бесчисленное множество галактик.
2. Галактика - Звездная система из звезд, газовых и пылевых туманностей и межзвездного рассеянного вещества.
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных витвей. Ее размеры – 100тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гогантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшай к нашей галактике – "туманность Андромеды". Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923г. Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.
3. Звезды - самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскалённых газов, по своей природе сходные с Солнцем.
Поскольку недра Звёзды недоступны непосредственным наблюдениям, внутреннее строение Звёзды изучается путём построения теоретических звездных моделей, которым соответствуют значения масс, радиусов и светимостей, наблюдаемые у реальных Звёзды В основе теории внутреннего строения обычных Звёзды лежит представление о Звёзды как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру Звёзды, и газовым давлением в недрах Звёзды, действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются и плотность и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура Звёзды — во всех её элементарных объёмах — практически не меняется со временем, т. е. что количество энергии, уходящей из каждого такого объёма, компенсируется приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными или др. источниками.
4. Скопление звезд - тщательное изучение звездных скоплений началось только в ХХ в. Однако, еще в XIX в. выделяли шаровые и рассеянные скопления. Сейчас звездными скоплениями называют группы звезд, связанных общим происхождением, положением в пространстве и движением. Более подробные исследования обнаружили, что различия между шаровыми и рассеянными скоплениями не ограничиваются внешним видом, количеством звезд и степенью их скученности. Они распространяются также на химический состав, положение в Галактике, возраст и типы звезд, входящих в скопление.
5. Солнечная система - система небесных тел (Солнце, планеты, спутники планет, кометы, метеорные тела, космическая пыль), двигающихся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца.
Общая структура Солнечной системы была раскрыта Н. Коперником (середина XVI в.), который обосновал представление о движении Земли и других планет вокруг Солнца. Гелиоцентрическая система Коперника впервые дала возможность определить относительные расстояния планет от Солнца, а следовательно, и от Земли. И. Киплер открыл (начало XVII в.) законы движения планет, а И.Ньютон сформулировал (конец XVII в.) закон всемирного тяготения. Эти законы легли в основу небесной миханники, исследующей движение тел Солнечной системы. Изучение физических характеристик космических тел, входящих в Солнечную систему, стало возможным только после изобретения Г. Галилеем телескопа: в 1609 Галилей впервые направил изготовленный им маленький телескоп на Луну, Венеру, Юпитер и Сатурн и сделал ряд поразительных для его эпохи открытий. Наблюдая солнечные пятна, Галилей обнаружил вращение Солнца вокруг своей оси.
Космическая эра открыла перед астрономией совершенно новые перспективы в изучении Солнечной системы Советские и американские космические зонды интенсивно исследуют внутренние планеты Солнечной система. Советские космические зонды совершили мягкую посадку на Луну, Венеру, Марс. Первые космонавты (США) высадились на поверхность Луны (1969), американские космические зонды «Пионер-10» и «Пионер-11» (1972—74) преодолели пояс малых планет и прошли в непосредственной близости от Юпитера. Планируются полёты к периодическим кометам и мягкая посадка космического аппарата на малую планету, приближающуюся к Земле на близкое расстояние. Человечество начинает практически осваивать внутреннюю область Солнечной системы.
Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.
EMBED Word.Document.8 \s
EMBED Word.Document.8 \s
5. Концепции современного естествознания: учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, Г.В. Баранов и др.; под ред. проф В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 2-е изд.; перераб. и доп. – ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 303с.
