Еволюція Всесвіту

Реферат

На тему: «Еволюція Всесвіту»

План

Вступ

1. Основні концепції космології

1.1 Припущення А. Ейнштейна

1.2 Висновки А.А. Фрідмана

1.3 Емпіричний закон - закон Хаббла

1.4 Гіпотези Г.А. Гамова

1.5 Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона

2. Модель гарячого Всесвіту

2.1 Космологія Великого Вибуху

2.2 Поділ початковій стадії еволюції на ери

2.3 Інфляційна модель Всесвіту

3. Структура Всесвіту

3.1 Метагалактика

3.2 Галактики

3.3 Зірки

3.4 Сонячна система

Список літератури

Вступ

Дивлячись на всіяне зорями небо, людина приходить у захват, не залишаючись байдужим до того, що бачить. «Відкрилася безодня, зірок повна. Зіркам числа немає, безодні - дна », - ці прекрасні рядки М.В. Ломоносова, образно і найбільш повно описують перше враження, яке відчуває людина, милуючись заворожливою картиною зоряного неба.  Про зірки складено безліч віршів і пісень. Зірки й безкрайній небесний простір завжди притягували і притягують всіх: і саму звичайну людини, і поета, і вченого. Але для вчених зоряне небо - не тільки предмет захоплення і насолоди, але і захоплюючий, невичерпний об'єкт досліджень.

У ясну погоду в безмісячну ніч неозброєним оком можна спостерігати на небосхилі до трьох тисяч зірок. Але це лише невелика частина зірок та інших космічних об'єктів, з яких складається Всесвіт.

Всесвіт - це весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку.

1. Основні концепції космології

Протягом всієї історії цивілізації людство прагне пізнати навколишній світ і зрозуміти, яке місце воно займає у Всесвіті. Всесвіт - найбільша матеріальна система. Її походження цікавить людей ще з давніх часів. Спочатку Всесвіт був «пустий та порожій» - так сказано в біблії. Спочатку був вакуум - уточнюють сучасні фізики. Які ж джерела походження Всесвіту? Як вона розвивається? Яка її структура? На ці та інші питання намагалися відповісти вчені різних часів. Проте навіть найбільші досягнення природознавства ХХ в. не дозволяють дати повністю вичерпні відповіді.

1.1 Припущення А. Ейнштейна

Тим не менше, прийнято вважати, що основні положення сучасної космології - науки про будову і еволюцію Всесвіту - почали формуватися після створення в 1917 р. А. Ейнштейном першої релятивістської моделі, заснованої на теорії гравітації і претендувала на опис всього Всесвіту. Ця модель характеризувала стаціонарний стан Всесвіту і, як показали астрофізичні спостереження, виявилася невірною. 

1.2 Висновки А.А. Фрідмана

Важливий крок у вирішенні проблем космологічних зробив у 1922 р. професор Петроградського університету А.А. Фрідман (1888-1925). У результаті рішення космологічних рівнянь він прийшов до висновку: Всесвіт не може, знаходиться в стаціонарному стані - він повинна розширюватися або звужуватися. 

1.3 Емпіричний закон - закон Хаббла

Наступний крок був зроблений в 1924 р., коли в обсерваторії Маунт Вілсон в Каліфорнії американський астроном Е. Хаббл (1889-1953) виміряв відстань до найближчих галактик (у той час званих туманностями) і тим самим відкрив світ галактик. У 1929 р. в тій же обсерваторії Е. Хаббл по червоному зсуву ліній у спектрі випромінювання галактик експериментально підтвердив теоретичний висновок А.А. Фрідмана про розширення Всесвіту і встановив Емпіричний закон - закон Хаббла: швидкість віддалення галактики V прямо пропорційна відстані r до неї, тобто V = Hr, де H - постійна Хаббла. 

З плином часу постійна Хаббла поступово зменшується - розбіжність галактик сповільнюється. Але таке зменшення за спостережуваний проміжок часу мізерно мале. Зворотного величиною постійною Хаббла визначається час життя (вік) Всесвіту. З результатів спостереження випливає, що швидкість віддалення галактик збільшується приблизно на 75 км \ с на кожен мільйон парсек (1 парсек дорівнює 3,3 світлового року; світловий рік - це відстань, яку проходить світлом у вакуумі за 1 земний рік). При даній швидкості екстраполяція до минулого приводить до висновку: вік Всесвіту становить близько 15 млрд. років, а це означає, що весь Всесвіт 15 млрд. років тому був зосереджений в дуже маленькій області. Передбачається, що в той час щільність речовини Всесвіту була порівнянною з щільністю атомного ядра, і весь Всесвіт представляв собою величезну ядерну краплю. З якихось причин ядерна крапля опинилася в нестійкому стані і вибухнула. Це припущення лежить в основі концепції великого вибуху.

Множенням часу життя Всесвіту на швидкість світла визначається радіус космологічного горизонту - межа пізнання Всесвіту за допомогою астрономічних спостережень. Інформація про об'єкти за космологічний горизонтом до нас ще не дійшла - ми не можемо зазирнути за космологічний горизонт. Нескладний розрахунок показує, що радіус космологічного горизонту дорівнює приблизно 10 м. Очевидно, що цей радіус щомиті збільшується приблизно на 300 тис. км. Але таке збільшення мізерно мало, порівняно з величиною радіуса космологічного горизонту. Для спостереження помітного розширення космологічного горизонту потрібно почекати мільярди років.

У концепції великого вибуху передбачається, що розширення Всесвіту відбувалося з однаковою швидкістю, починаючи з моменту вибуху ядерної краплі. В даний час обговорюється й інша гіпотеза - гіпотеза пульсуючого Всесвіту: Всесвіт не завжди розширювався, а пульсує між кінцевими межами щільності. З неї випливає, що деякому минулому швидкість віддалення галактик була меншою, ніж зараз, і були періоди, коли Всесвіт стискалася, тобто галактики наближалися одна до одної і з тим більшою швидкістю, чим більша відстань їх розділяло.

1.4 Гіпотези Г.А. Гамова

У міру розвитку природознавства і особливо ядерної фізики висуваються різні гіпотези про фізичні процеси на різних етапах космологічного розширення. Одна з них запропонована наприкінці 40 х рр.. ХХ ст. Г.А. Гамовим (1904-1968), фізиком - теоретиком, емігрував у 1933 р. з Радянського Союзу в США, і називається моделлю гарячого Всесвіту.  У ній розглянуті ядерні процеси, що протікали в початковий момент розширення Всесвіту в дуже щільному речовині з надзвичайно високою температурою. З розширенням Всесвіту щільне речовина охолоджувалося.

З цієї моделі слідує два висновки:

- Речовина, з якої зароджувалися перші зірки, складалася в основному з водню (75%) і гелію (25%);

- В сьогоднішньому Всесвіту повинно спостерігатися слабке електромагнітне випромінювання, яке зберегло пам'ять про початковий етап розвитку Всесвіту, і тому назване реліктовим.

1.5 Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона

З розвитком астрономічних засобів спостереження, і зокрема, з народженням радіоастрономії, з'явилися нові можливості пізнання Всесвіту. У 1965 р. американські астрофізики А. Пензіас і Р. Вільсон експериментально виявили реліктове випромінювання. Реліктове випромінювання - це фонове ізотропне космічне випромінювання зі спектром, близьким до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К.

У 2000 р. повідомлялося: зроблено важливий крок на шляху розуміння самого раннього етапу еволюції Всесвіту. У лабораторії європейських ядерних досліджень в Женеві отримано новий стан матерії - кварк - глюонна плазма. Передбачається, що в такому стані Всесвіт перебувала в перші 10 мкс після великого вибуху. До цих пір вдавалося охарактеризувати еволюцію матерії на стадії не раніше трьох хвилин після вибуху, коли вже сформувалися ядра атомів.

2. Модель гарячого Всесвіту

Всесвіт - це сукупність усього, що існує. Земля, Місяць, Сонце і всі планети і зірки утворюють Всесвіт. Всесвіт повний великими і хвилюючими таємницями і загадками, які вчені намагаються розгадати. Багато висувають теорії щодо її походження. Вони стверджують, що Всесвіт існував не завжди, але мала свій початок.

Виходячи з досліджень зірок і галактик, вчені помітили, що вони відокремлюються один від одного з великою швидкістю. Це дозволяє припустити, що в якийсь момент вони були з'єднані. Досвід, який пропонується для пояснення, яким був початок Всесвіту, полягає в тому, що повітряна куля розмальовують невеликими плямами. Коли куля надувають, відстань між плямами збільшується, і плями також стають все більше. У цьому досвіді плями являють галактики, а надування кулі - поширення Всесвіту.

2.1 Космологія Великого Вибуху

Бельгійський астроном Жорж Ламетр, що вивчав зірки, висловив припущення, що 15 мільярдів років тому Всесвіт була маленькою і дуже щільною. Це стан Всесвіту він назвав «космічним яйцем». Відповідно до його розрахунків, радіус Всесвіту в первісному стані був рівний 10 см, що близька за розмірами до радіуса електрона, а її щільність становила 1910 / см, тобто Всесвіт представляв собою мікрооб'єктів мізерно малих розмірів.

Від первісного стану Всесвіт перейшов до розширення в результаті Великого вибуху, тобто вся матерія, що входила до складу «космічного яйця», вирвалася назовні з великою швидкістю і розлетілася на всіх напрямках.

Сучасні галактики були фрагментами цього «яйця», що вибухнуло. Зірки галактик у свою чергу розвивалися, поки не прийняли сучасний стан. Зазвичай для визначення цього явища використовують англійський вираз Big Bang, що означає «великий вибух».

Отже, в основі в основі сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту, або «Великого Вибуху».

Учень А.А. Фрідмана Г.А. Гамов розробив модель гарячого Всесвіту, розглянувши ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту, і назвав її «космологією Великого Вибуху».

Ключ до розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту - в гігантському кількості теплоти, що виділилася при Великому Вибуху. У найпростішому варіанті теорії гарячого Всесвіту передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже великою густиною і енергією. З розширенням Всесвіту температура падала від дуже великий до досить низькою, забезпечуючи виникнення умов, сприятливих для утворення зірок і галактик. На протязі близько 1 млн. років температура перевищувала кілька тисяч градусів, що перешкоджало утворенню атомів, і, отже, космічне речовина мало вигляд розігрітій плазми. Лише коли температура знизилася, виникли перші атоми. Таким чином, атоми - це релікти епохи, що настала через 1 млн. років після Великого Вибуху.

Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-15 млрд. років. Як було сказано раніше, Г.А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур.

2.2 Поділ початковій стадії еволюції на ери

У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на ери.

Ера адронів (важких часток, що вступають у сильні взаємодії). Тривалість ери 0,0001 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 см. У кінець ери відбувається анігіляція частинок і античастинок, але залишається деяка кількість протонів, гіперонів, мезонів.

Ера лептонів (легких частинок, що вступають в електромагнітне взаємодія). Тривалість ери 10 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 / см. Основну роль відіграють легкі частинки, що беруть участь в реакціях між протонами і нейтронами.

Фотонна ера. Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси - енергії Всесвіту - припадає на фотони. До кінця ери температура падає з 10 до 3000 градусів за Кельвіном, щільність - від 10 р. / см до 1910 / см. Головну роль грає випромінювання, яке в кінець ери відділяється від речовини.

Зоряна ера настає через 1 млн. років після зародження Всесвіту. У зоряну еру починається процес утворення протозірок і протогалактік. Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.

2.3 Інфляційна модель Всесвіту

У сучасній космології поряд з гіпотезою Великого вибуху обґрунтовується інфляційна модель Всесвіту, в якій розглядається ідея творіння Всесвіту. Ця ідея має складне обґрунтування і пов'язана з квантовою космологією. У даній моделі описується еволюція Всесвіту, починаючи з моменту 10 с після початку розширення.

Відповідно до інфляційної гіпотезою космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.

Початок Всесвіту визначається як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту в 10 см (розмір атома 10) Основні події в ранньому Всесвіті розігрувалися за нікчемно малий проміжок часу від 10 с до 10 с.

У стадії інфляції створювалося сам простір і час Всесвіту. Весь цей початковий період у Всесвіті не було ні речовини, ні випромінювання. Потім стан помилкового вакууму розпалося, вивільнити енергію пішла на народження важких частинок і античастинок, які, проаннігілірував, дали потужний спалах випромінювання (світла), освітившись космос. Так відбувся перехід від інфляційної стадії до фотонів.

Етап відділення речовини від випромінювання: що залишився після анігіляції речовина стала прозорим для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням пропав.

В подальшому розвиток Всесвіту йшло в напрямку від максимально простого однорідного стану до створення дедалі більш складних структур - атомів, галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів в надрах зірок, в тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і людини.

3. Структура Всесвіту

Всесвіту на самих різних рівнях, від умовно елементарних частинок і до гігантських надскупчень галактик, властива структурність. Структура Всесвіту - предмет вивчення космології, однією з важливих галузей природознавства, що знаходиться на стику багатьох природничих наук: астрономії, фізики, хімії та ін Сучасна структура Всесвіту є результатом космічної еволюції, в ході якої з протогалактик утворилися галактики, з протозірок - зірки, з протопланетної хмари - планети.

3.1 Метагалактика

Частина Всесвіту, доступна дослідженню астрономічними засобами, що відповідають досягнутому рівню розвитку науки, називається Метагалактики. Інакше кажучи, Метагалактика - охоплена астрономічними спостереженнями частина Всесвіту. Вона знаходиться в межах космологічного горизонту. Метагалактика являє собою сукупність зоряних систем - галактик, а її структура визначається їх розподілом у просторі, заповненому надзвичайно розрідженим міжгалактичним газом і пронизує міжгалактичними променями. 

Відповідно до сучасних уявлень, для Метагалактики характерна чарункова (сітчаста, пориста) структура. Ці уявлення ґрунтуються на даних астрономічних спостереженнях, які показали, що галактики розподілені не рівномірно, а зосереджені поблизу кордонів осередків, усередині яких галактик майже немає. Крім того, знайдені величезні обсяги простору, в яких галактик поки не виявлено.

Якщо брати не окремі ділянки Метагалактики, а її великомасштабну структуру в цілому, то, очевидно, що в цій структурі не існує якихось особливих, чимось виділяються місць або напрямів і речовина розподілено порівняно рівномірно.

Вік Метагалактики близький до віку Всесвіту, оскільки освіта її структури припадає на період, наступний за роз'єднанням речовини і випромінювання. За сучасними даними, вік Метагалактики оцінюється в 15 млрд. років. Вчені вважають, що, мабуть, близький до цього і вік галактик, які сформувалися на одній з початкових стадій розширення Метагалактики.

3.2 Галактики

Головні складові Всесвіту - галактики. Галактика - гігантська система, що складається з скупчень зірок і туманностей, що утворять у просторі досить складну конфігурацію.

За формою галактики умовно поділяються на три типи: еліптичні, спіральні й неправильні.

Еліптичні галактики мають просторової формою еліпсоїда з різним ступенем стиснення. Вони є найбільш простими за структурою: розподіл зірочок рівномірно убуває від центру.

Спіральні галактики представлені у формі спіралі, включаючи спіральні гілки. Це найчисленніший вид галактик, до якого належить і наша Галактика - Чумацький Шлях.

Неправильні галактики не володіють вираженою формою, в них відсутнє центральне ядро.

Окрім зірок і планет галактики містять розріджений газ і космічну пил.

Чумацький Шлях добре видно у безмісячну ніч. Він здається скупченням світяться туманних мас, що простягнулися від однієї сторони горизонту до іншої, і складається приблизно з 150 млрд. зірок. За формою він нагадує сплюснутий кулю. У центрі його знаходиться ядро, від якого відходить декілька спіральних зоряних гілок. Наша Галактика надзвичайно велика: від одного її краю до іншого світловий промінь подорожує близько 100 тис. земних років. Більша частина її зірочок зосереджена в гігантському диску товщиною близько 1500 світлових років. На відстані близько 2 млн. світлових років від нас знаходиться найближча до нас галактика - Туманність Андромеди, яка за своєю будовою нагадує Чумацький Шлях, але значно перевершує його за своїми розмірами.  Наша Галактика, Туманність Андромеди разом з іншими сусідніми зоряними системами утворюють Місцеву групу галактик. На відстані близько 30 тис. світлових років від центру Галактики розташоване Сонце.

На сучасному етапі еволюції Всесвіту речовина в ній знаходиться переважно в зоряному стані. 97% речовини в нашій Галактиці зосереджена в зірках, що представляють собою гігантські плазмові утворення різної величини, температури, з різною характеристикою руху.

Вік зірочок змінюється в досить великому діапазоні значень: від 15 млрд. років, відповідних віком Всесвіту, до сотень тисяч - наймолодших. Є зірки, які утворюються в даний час і знаходяться в протозірковій стадії, тобто вони ще не стали справжніми зірками.

Народження зірок відбувається в газово-пилових туманностях під дією гравітаційних, магнітних та інших сил, завдяки яким йде формування нестійких однорідність і дифузна матерія розпадається на ряд згущені. Якщо такі згущення зберігаються досить довго, то з плином часу вони перетворюються на зірки. Важливо відзначити, що відбувається процес народження не окремої ізольованої зірки, а зоряних асоціацій.

3.3 Зірки

Світ зірочок незвичайно різноманітний. І хоча всі зірки - розпечені кулі, подібні Сонцю, їх фізичні характеристики розрізняються досить істотно.  Є, наприклад, зірки - гіганти і надгіганти. За своїми розмірами вони перевершують Сонце.

Окрім зірок гігантів існують і зірки - карлики, значно поступаються за своїми розмірами до Сонця. Деякі карлики менше Землі і навіть Місяця.

Розрізняють також нейтронні зірки - це величезні атомні ядра.

Зірки володіють різними поверхневими температурами - від кількох тисяч до десятків тисяч градусів. Відповідно розрізняють і колір зірок. Порівняно «холодні» зірки з температурою +3 -4 тис. градусів - червоного кольору. Наше Сонце з поверхнею, «нагрітої» до 6 тис. градусів, має жовтуватий колір. Найгарячіші зірки - з температурою вище 12 тис. градусів - білі і блакитні.

Зірки не існують ізольовано, а утворюють системи. Найпростіші зоряні системи - складаються з 2-х і більше зірок. Зірки об'єднані також у ще більші групи - зоряні скупчення.

3.4 Сонячна система

Сонячна система являє собою групу небесних тіл, вельми різних за розмірами і фізичній будові.  В цю групу входять: Сонце, дев'ять великих планет, десятки супутників планет, тисячі малих планет (астероїдів), сотні комет, незліченна безліч метеоритних тел. Всі ці тіла об'єднані в одну систему завдяки силі тяжіння центрального тіла - Сонця. Сонячна система є впорядкованою системою, що має свої закономірності будови. Єдиний характер Сонячної системи виявляється в тому, що всі планети обертаються навколо сонця в одному і тому ж напрямку і майже в одній і тій же площині. Сонце, планети, супутники планет обертаються навколо своїх осей в тому ж напрямку, в якому вони здійснюють рух по своїх траєкторіях. Закономірно і будова Сонячної системи: кожна наступна планета віддалена від Сонця приблизно в два рази далі, ніж попередня.

Сонячна система утворилася приблизно 5 млрд. років тому, причому Сонце - зірка другого покоління. Сучасні концепції походження планет Сонячної системи ґрунтуються на тому, що потрібно враховувати не тільки механічні сили, але й інші, зокрема електромагнітні. Вважається, що саме електромагнітні сили зіграли вирішальну роль при зародженні Сонячної системи.

Відповідно до сучасних уявлень, початкове газова хмара, з якого утворилися і Сонце, і планети, складалося з іонізованого газу, схильного до впливу електромагнітних сил. Після того як з величезної газової хмари засобами концентрації утворилося Сонце, на дуже великій відстані від нього залишилися невеликі частини цієї хмари. Гравітаційна сила стала притягувати залишки газу до утворилася зірку - Сонця, але його магнітне поле зупинило падаючий газ на відстані - як раз там, де знаходяться планети. Гравітаційна і магнітні сили вплинули на концентрацію і згущення падаючого газу, і в результаті утворилися планети. Коли виникли найбільші планети, той же процес повторився в менших масштабах, створивши, таким чином, системи супутників. Висновок.

Всесвіт у широкому сенсі - це середовище нашого існування. Тому важливе значення для практичної діяльності людини має та обставина, що у Всесвіті панують незворотні фізичні процеси, що вона змінюється з часом, знаходиться в постійному розвитку. Людина приступив до освоєння космосу, вийшла у відкритий космічний простір. Наші звершення набувають все більшого розмаху, глобальні і навіть космічні масштаби. І для того, щоб врахувати їхні близькі та віддалені наслідки, ті зміни, які вони можуть внести в стан середовища нашого існування, в тому числі і космічної, ми повинні вивчати не тільки земні явища і процеси, але й закономірності космічного масштабу.

Велике щастя для нас, що в первинній речовині був надлишок протонів над нейтронами. Завдяки цьому залишилися у Всесвіті незв'язані протони, і згодом утворився водень, без якого не світило б сонце, не було б води, не могла виникнути життя. Не було б життя, не було б і людства. 

Картина еволюції Всесвіту, яка відкрилася перед нами, вражає уяву і дивує. Не перестаючи дивуватися, не слід забувати, що все це відкрила людина - мешканець маленької порошинки, загубленої в безмежних просторах Всесвіту, - планети Земля.

Список використовуваної літератури

1. Лавриненко В.М., Ратніков В.П., Концепції сучасного природознавства. М. 2003

2. Карпенків С.Х., Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів. М. 2003

3. Петросова Р.А., Голов В.П., Сівоглазов В.І., Природознавство та основи екології. М. 2000

4. Найдиш В.М., Концепції сучасного природознавства. М. 2003