 |
Глава 2. Модели эволюции Вселенной
|
|
|
|
Реферат
На тему: Эволюция Вселенной, её различные модели
По дисциплине: Концепции современного естествознания
Екатеринбург
Введение
Что есть Вселенная, Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания? Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.
Проблема возникновения Вселенной занимала людей еще до появления современной науки. В основе интереса лежит - желание дойти до первопричины всего сущего. В библии, например, указана даже точная дата сотворения мира - 5 тысяч лет до нашей эры. Историческое обоснование этой даты может быть в том, что она примерно соответствует последнему ледниковому периоду - 10 тысяч лет до нашей эры. В 5 веке нашей эры автор «Христианской науки» Блаженный Августин указывал, что до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла, что удивительным образом совпадает с представлениями современной науки. Августин писал, что Бог создал и Вселенную, и время, поэтому до рождения Вселенной времени не было. Почему же тогда Вселенная возникла в какой - то определенный момент времени? Древние греки: Платон, Аристотель считали, что мир неизменен и существует вечно, но лишь иногда в нем случаются катастрофы, которые отбрасывают человечество назад.
Целью данной работы является анализ различных моделей существования и эволюции Вселенной, в том числе и сценариев развития Солнечной системы, чьей составной частью является наша планета Земля.
|
|
|
Глава 1. Состав Вселенной и её размеры
Видимая часть Вселенной состоит из сотен миллиардов галактик, и в каждой галактике десятки миллиардов звезд. На каждого обитателя Земли приходится по миллиарду звезд, что значительно расширяет возможности маленького принца Экзюпери, который скромно довольствовался всего одной планетой. Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Но это лишь видимая часть Вселенной.
Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Млечный путь. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Солнечная система не находится в центре Галактики. В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид (крупные скопления звезд).
Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.
Науке известна природа лишь 5 % вещества, из которого состоит Вселенная. Эти 5 % (4 %обычная материя - планеты, туманности и т.п., 1 % звезды и галактики) мы видим вокруг и сами из него сделаны. Остальное - великая тайна, а именно 70 % тёмная энергия (недавно открытая форма антигравитации), а 25 % тёмная материя (невидимые частицы с неизвестными свойствами) и5 % видимое вещество (см. рис 1).
Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.
|
|
|
Глава 2. Модели эволюции Вселенной
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, тем или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика - мир атомов и элементарных частиц, биология - явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология. Космология - учение о Вселенной в целом.
С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Построение различных моделей относится к одному из важных путей познания объективно существующего мира. Объекты, явления и процессы, происходящие во Вселенной, очень сложны. Моделирование позволяет выделить наиболее существенные, характерные черты этих процессов.
С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 - 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г.
Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям - в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.
|
|
|
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879 - 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.
Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной - нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А. Фридманом (1888 - 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Два последних варианта активно рассматривались астрофизиками, причем в 80 - годы в них было включено невообразимо быстрое расширение Вселенной (инфляция), происшедшее в первые мгновения Большого взрыва.
Теория Александра Фридмана, в отличие от Эйнштейна, считавшего Вселенную стабильной и неизменной, наиболее полно описывает модель её возникновения и развития. Взгляды Фридмана заложили основу для дальнейшего изучения процессов, происходящих во Вселенной.
Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А. Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А. Гамова образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».
|
|
|
Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространённости тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.
|
|
|
Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.
«Морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин еще до открытия ускоренного расширения Вселенной - в 1997 году (модель строится на базе стандартной модели). Согласно их модели, история нашей Вселенной насчитывает четыре эры:
Звездная эра (началась через сотни миллионов лет после Большого взрыва, во Вселенной стали возникать первые звезды и началась интенсивная генерация энергии за счет ядерного синтеза в звездных недрах. Эти процессы продолжаются и сейчас. Ученые вычислили, когда Вселенной исполнится 1014 лет в космическом пространстве не останется свободного водорода, и звезды закончат свое существование).
Эра вырождения охватывает промежуток 1015 - 1037 лет, от сверкающих светил остались нейтронные звезды и белые карлики, копятся черные дыры, которые усиленно растут, произойдет распад ядерного вещества, протоны будут распадаться на позитроны, фотоны, нейтрино и в итоге обычное вещество в составе планет и белых карликов начнет превращаться в излучение.
Эра черных дыр приходится на промежуток времени 1038 - 10100. В это время исчезнут все протоны и нейтроны (барионы) и единственными макрообъектами во Вселенной останутся черные дыры и они вскоре испарятся в излучение и исчезнут во взрывах.
Темная эра наступит когда возраст мироздания превысит 10100 лет. Из материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти 0 температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны).
Модель «раздувающейся Вселенной» была предложена в 2003 году Р. Калдвеллом, М. Камионковски и Вейнбергом. Расширение Вселенной не дает объяснений в моделях «горячей Вселенной». Возрастающее увеличение темной энергии (вакуум) приведет к вселенскому антиколлапсу. Скорость расширения пространства возрастет до такой степени, что разорвет галактики, т.е. здесь решающее значение приобрела антигравитация, удаление всех пунктов одновременно. Распадутся планетные системы, планеты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и планеты. Химические соединения распадаются на атомы, но и атомы теряют стабильность, ядра не могут удерживать электроны. Но все это в далеком будущем.
Существует модель, согласно которой финал гибели Вселенной может произойти и завтра. Впервые он был предложен московским физиком М.Б. Волошиным, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году. В данной теории учитывается особенность вакуума. В нем отсутствуют реальные частицы, однако постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. В любой момент может произойти туннелирование вакуума из одного состояния в другое, и останется в итоге пространство - время и материя с совершенно иными свойствами (или ничего).
Энергия вакуума учитывается в теории инфляционного расширения новорожденной Вселенной.
Инфляционная модель Вселенной - гипотеза <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B0> о физическом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0> состоянии и законе расширения Вселенной <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F> на ранней стадии Большого взрыва <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%B2%D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2> (при температуре выше 1028 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD>), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%B3%D0%BE%D1%80%D1%8F%D1%87%D0%B5%D0%B9_%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B9> расширения. Предложена в 1981 <http://ru.wikipedia.org/wiki/1981> Аланом Гутом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%83%D1%82,_%D0%90%D0%BB%D0%B0%D0%BD_%D0%A5%D0%B0%D1%80%D0%B2%D0%B8> и видоизмененная в 1982 <http://ru.wikipedia.org/wiki/1982> Андреем Линде <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D0%B5,_%D0%90%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%B5%D0%B9_%D0%94%D0%BC%D0%B8%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87>. Наконец, в самом последнем варианте модели инфляционной Вселенной - сценарии „хаотического раздувания” по А.Д. Линде [11] условия для реализации тепловой смерти, мягко говоря, еще менее благоприятны, чем в первоначальном варианте концепции раздувания. Эта последняя модель вообще трактуется ее автором и другими видными космологами (например, И.Д. Новиковым) как модель вечно юной, самообновляющейся Вселенной. Наш мир, в соответствии с этой моделью, может приобрести еще 6 пространственных измерений.
вселенная солнечный система энштейн
|
|
|
