Происхождение Вселенной. Концепция "Большого взрыва". Свойства мегамира

14

Реферат

по дисциплине Концепции современного естествознания

«Происхождение Вселенной. Концепция Большого взрыва. Свойства мегамира»

Содержание

1. Введение

2. Происхождение Вселенной - теория «Большого взрыва»

3. Общая характеристика мегамира

4. Свойства мегамира

Заключение

Список литературы

Введение

Человечество всегда интересовалось всем, что окутано тайнами, а самым большим вместилищем неизведанного является Вселенная. Вселенной является весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. И, естественно, всегда было интересно узнать, с чего же всё началось? Поиск ответа на данный вопрос остаётся актуальным и в наше время, а проблема эволюции Вселенной занимает центральное место в естествознании. Соответственно сложилось множество различных концепций, старающихся объяснить данное явление.

Используя достижения различных наук, таких, как физика, математика, философия, возникла новая наука - космология. Это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Предметом космологии является весь окружающий нас мегамир, а задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции вселенной. В Новое время, кстати, зарождается космогония -- наука о происхождении и развитии космических тел и их систем.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горячего протовещества. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширятся. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В этих комплексах, в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики.

В результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Когда-то возникнув из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Н затем Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого начиналась история цикла. В конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, уничтожив всю жизнь, попавшуюся на пути. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности.

Происхождение Вселенной - теория «Большого взрыва»

Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это вещество, породившее Вселенную, как оно образовалось, каким законам подчинялось и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться.

На начальной стадии это плотное вещество разлеталось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки -- там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия -- эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10-- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра: Вселенная представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Модель горячей взрывающейся Вселенной была разработана учеником Фридмана Дж. Гамовым в конце 40-х годов, положив начало так называемой теории «Большого взрыва», но широкое распространение эта теория получила лишь в середине 1960-х годов.

Спрашивать о том, что было до «Большого взрыва», и что находится за пределами этого расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории «Большого взрыва» ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого. Такая, сложная для понимания, картина следовала из формул Фридмана. Вскоре, однако, американский астроном Э. Хаббл подтвердил факт расширяющегося вокруг нас пространства, измерив скорость этого явления. Благодаря этому стало возможным измерить время существования Вселенной - примерно, 15-20 млрд. лет.

До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали стремительно. Вначале образовались излучения (фотоны), затем частицы и вещества (кварки и антикварки). В течение той же секунды из них образовались протоны, антипротоны и нейтроны. При столкновении протона и антипротона, которые, как известно, отличаются друг от друга противоположными зарядами, происходит реакция аннигиляции, в ходе чего обе частицы исчезают, оставляя излучение (фотоны). Эти реакции стали довольно частыми, т. к. вещество «новорождённой» Вселенной было весьма плотным - частицы постоянно между собой сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.

К концу первой секунды, когда температура упала до 10 млрд. градусов, образовались и новые частицы, в том числе электрон и его античастица - позитрон. К этому же времени большая часть частиц уже аннигилировала. Так получилось, что число частиц было на ничтожную долю процента больше числа античастиц (этот факт до сих пор не объяснён), вследствие чего наша вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сотен лет постоянно расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что протоны и ядра гелия смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Излучение, не сдерживаемое более свободными электронами, смогло теперь распространиться на огромные расстояния. В значительно «остывшей» (за 15 млрд. лет) Вселенной, в наше время мы можем слышать «отголоски» того излучения - оно является микроволновым, и, равномерно приходящее со всех сторон, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Его принято называть реликтовым излучением. Его обнаружение и существование подтверждают теорию «Большого взрыва».

При расширении во Вселенной стали образовываться области скопления вещества, а также и области, где его почти не было. под воздействием гравитации эти уплотнения росли и на их месте стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения веществе, теория «Большого взрыва» позволила рассчитать относительные концентрации водорода, дейтерия более тяжёлых химических элементов в природе.

В конце XX в. данная теория стала практически общепринятой в космологии.

Общая характеристика мегамира

Современная наука рассматривает мегамир как взаимодействующую и развивающуюся систему небесных тел.

Между мегамиром и макромиром нет чёткой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около м и масс кг.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, для их измерения введены специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5 м.

Световой год - это расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46м.

Парсек (параллакс-секунда) - расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08 = 3,26 св.г.

Небесные тела во всей Вселенной образуют системы, различной сложности. Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-- 20 млрд. св. г. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» -- очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» означает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» -- тот же мир, но с точки зрения его структуры -- как упорядоченную систему галактик. Метагалактика - представляет собой совокупность звездных систем - галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика - гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

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. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. 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 в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

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 и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. 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.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Свойства мегамира

Первые астрономические знания были получены мыслителями Древнего Востока - Египта, Вавилонии, Индии, Китая. Астрономы древнего мира научились предсказывать наступление затмений, следили за движением планет. Эти астрономические знания, накопленные еще в VII - VI вв. до н.э., заимствовали древние греки.

В VI веке до н.э. ученый и философ Древней Греции Аристотель фактически выдвинул идею геоцентрического строения Вселенной. Аристотель считал, что Земля и все небесные тела шарообразны, что Земля является неподвижным центром Вселенной, вокруг которой вращаются все небесные тела. Вселенная, по мнению Аристотеля, имеет конечные размеры, ее как бы замыкает сфера звезд. После Аристотеля в III веке до н.э. греческий астроном Аристарх Самосский выдвинул идею, что Земля вращается вокруг Солнца, что расстояние от Земли до Солнца равно 600 диаметров Земли. К сожалению, современники не поняли его и идею его не приняли. Во II веке до н.э. окончательно сформировалась геоцентрическая система мира. Александрийский астроном Птолемей обобщил существовавшие до него представления и предложил свою модель Вселенной. Согласно Птолемею, вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Каждая из планет, по мнению Птолемея, имеет центром своего движения не Землю, а некую точку. Эта точка в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля.

Гелиоцентрическая система мира связана с именем польского ученого Николая Коперника (XV век). Он возродил гипотезу Аристарха Самосского о строении мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. При этом ученый считал, что звезды неподвижны, Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд.

Идею бесконечности Вселенной развил Джордано Бруно (XVI век). По Бруно Солнце - звезда, таких звезд бесконечно много, вокруг звезд вращаются планеты, подобно Земле, которая вращается вокруг Солнца. Бруно высказал догадки, что и Солнце, и звезды вращаются вокруг своих осей, а в Солнечной системе, кроме известных планет, существуют и другие, пока еще не открытые.

С изобретением телескопа Галилео Галилей в первой половине XVII века сделал выдающееся открытия, которые подтвердили учение Коперника и догадки Бруно. Галилей пришел к выводу, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Одновременно с Галилеем выдающиеся открытия в астрономии сделал Иоганн Кеплер, который сформулировал законы движения тел в Солнечной системе.

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной. Эти вопросы рассматривает космология. При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной. Модель - это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности, возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью. В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна. Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства пространства, материи и времени следует, что с исчезновением метрии, пространство и время тоже исчезнут. Следовательно, до возникновения Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, которые связывают распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе разработал статистическую модель Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная обладает следующими свойствами:

1. однородностью, то есть имеет одинаковые свойства во всех точках;

2. изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всем направлениям;

3. третье свойство вытекает из закона Хаббла: «чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга», то есть Вселенная нестационарна - она находится в состоянии постоянного расширения; агентом ускорения расширения является темная энергия;

4. В XX веке дополняется еще одно свойство Вселенной - она горячая.

В настоящее время существует предположение, что Вселенная возникла из «сингулярной точки» - начальное состояние Вселенной - путем Большого взрыва данной исходной космической материи. В дополнение и развитие концепции Большого взрыва возникла теория инфляции, которая говорит, что Вселенная возникла из вакуума.

Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие:

1. расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла;

2. однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 Мкп;

3. существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К.

Заключение

Издавна люди стараются найти объяснения непонятности и причудливости окружающего мира, но сложнее всего это сделать в мире, который практически не поддаётся изучению. Однако, учёными проведена колоссальная работа в исследовании Вселенной и сделано огромное количество открытий. Пусть многое ещё не доказано, но достаточно уже того, что мы значительно приближаемся к разгадке непонятого.

Список литературы

1. Маров М.Я. Планеты солнечной системы - М.: Наука, 1986.

2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания - М.: ИЭМПЭ, 1998.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания - Новосибирск: ЮКЭА, 1998.

4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ, 1997.

5. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - М.:Наука, 1988.

6. Горелов А.А. Концепции современного естествознания - М.: Высшее образование, 2006

7. Садохин А.П. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006

8. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания -- М.: Дашков и К°, 2007.

9. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек - М.: Знание, 1987.

10. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ, 1997.