Модели происхождения Вселенной. Теория большого взрыва

23 Янв 2014 | Автор: | Комментариев нет »

Содержание

Введение 3

1. Модели происхождения вселенной 4

2. Гипотеза Большого взрыва 9

Заключение 14

Список литературы 15

Введение

В современном естествознании проблема рождения и эволюции Вселенной не имеет однозначного и общепризнанного решения. Согласно наиболее распространенной точке зрения Вселенная возникла из огромного взрыва.

Вселенная как целое является объектом изучения космологии. Вселенная – самый крупный по масштабам объект науки. Он, очевидно, существует в единственном экземпляре. Из этих обстоятельств следует ряд особенностей космологии как науки. Действительно, Вселенную можно только наблюдать, экспериментировать с ней невозможно. Никаких других вселенных нам не дано, и сравнивать нашу Вселенную не с чем. Еще одной особенностью космологии является близкое родство с философскими идеями и исканиями, с попытками осмыслить место человека в мире. Тем не менее, космология – это все же настоящая естественнонаучная дисциплина, в которой главное – конкретные факты, а любые теоретические выводы могут считаться правильными только тогда, когда они проверены и подтверждены прямыми астрономическими наблюдениями.

1. Модели происхождения вселенной

Галактики существуют не изолированно, а в виде скоплений, которые содержат в себе до нескольких тысяч отдельных галактик. Если, несмотря на огромные расстояния между галактиками (в десятки и сотни миллионов световых лет), провести сравнение между молекулами макротела и галактиками в скоплениях, то оказывается, что галактические скопления можно уподобить очень вязкой среде. Взаимодействующие скопления галактик образуют метагалактику. Греческая приставка meta обозначает над, сверх, более и т.д., то есть Метагалактика - это сверх- или супергалактика. Она включает в себя все известные нам космические объекты. Вопрос о том, как соотносятся понятия «Метагалактика» и «Вселенная», является спорным. В силу одной гипотезы метагалактика и Вселенная - это одно и то же. Однако современная наука допускает возможность возникновения и существования множества других миров или метагалактик кроме нашей метагалактики, называемых внеметагалактическими объектами. Все они вместе с метагалактикой и образуют Вселенную. Данное утверждение представляет собой вторую гипотезу .

В современном естествознании проблема рождения и эволюции звезд не имеет однозначного и общепризнанного решения. Согласно наиболее распространенной точке зрения звезды возникают из гигантских газово-пылевых туманностей под действием гравитационных и электромагнитных сил.

Помимо звезд важными космическими объектами являются планеты. Они представляют собой твердые физические тела, которые по своим размерам и массе намного меньше звезд. Планеты имеют сложную внутреннюю структуру, включающую в себя ядро, литосферу (от греч. lithos - камень) или твердую кору, а в ряде случаев - атмосферу и гидросферу. Звезды и планеты составляют планетные системы, одной из которых является Солнечная система. Поскольку вследствие огромных космических расстояний планетные системы других звезд ненаблюдаемы, то проблема происхождения планет рассматривается на примере Солнечной системы.

Первые гипотезы о ее происхождении были выдвинуты в разное время немецким философом Иммануилом Кантом и французским ученым Пьером Лапласом. Их предположения вошли в науку в качестве некой коллективной космогонической гипотезы Канта - Лапласа. Космогония (от греч. kosmos - мир, или Вселенная, и genesis - рождение, происхождение) - это наука о происхождении и эволюции как Вселенной, так и ее отдельных объектов. По гипотезе Канта - Лапласа Солнечная система образовалась из огромной газово-пылевой туманности, находившейся во вращательном движении, в результате которого в ее центре возникло сгущение, позже превратившееся в Солнце. Продолжение вращательного движения привело к образованию вокруг Солнца других сгущений, ставших впоследствии планетами.

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения - общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Иную гипотезу высказал в прошлом столетии английский физик Джеймс Джинс. По его предположению Солнце некогда столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, остывая и сгущаясь, преобразовалась со временем в планеты. Однако колоссальные расстояния между звездами делают такое столкновение маловероятным. Кроме того, Солнечная система характеризуется упорядоченным устройством: все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и находятся почти в одной и той же плоскости, каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Последовательность расположения планет от Солнца такова: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Учитывая эти закономерности строения Солнечной системы, трудно предположить, что планеты являются осколками космической катастрофы.

Позже была предложена еще одна гипотеза, которую выдвинули шведский физик Ханнес Альфвен и английский физик Фред Хойл. Они утверждают, что первоначальное газовое облако, из которого образовались Солнце и планеты, было сильно ионизированным (состояло из ионов), и поэтому было подвержено влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации (сгущения) образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде - Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях - как раз там, где сейчас находятся планеты. Гравитационная и магнитная силы привели к сгущению этого газа, в результате чего образовались планеты. Вообще гравитационное и электромагнитное взаимодействия по современным научным представлениям обуславливают рождение и эволюцию не только планет, но также звезд и галактик, то есть, являются основными факторами многих процессов, происходящих во Вселенной. Все высказанные идеи относительно происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер. Назвать какую-либо из них достоверной (точной) современная наука не в состоянии. Дальнейшее исследование космогонических проблем остается делом будущего .

Помимо звезд и планет вещество Вселенной представлено также диффузной материей (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание). Она существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также гигантских облаков пыли и газа - газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной занимают различные виды излучения. Следовательно, космическое межзвездно е пространство никоим образом не пусто.

Принимая во внимание безграничные масштабы Вселенной и бесчисленное множество заполняющих ее мегаобъектов, вполне можно предположить, что среди колоссального количества звезд могут быть звезды, подобные нашему Солнцу, которые так же, как и оно, имеют свои спутники - планеты, некоторые из которых характеризуются наличием благоприятных для жизни условий. Таким образом, не исключено, что жизнь существует не только на планете Земля, и мы не одиноки во Вселенной. Причем вполне возможно, что жизнь в бескрайних просторах космоса может существовать как в менее развитых (вирусы и бактерии) формах, чем на Земле, так и в более совершенных, например, в качестве высокоразвитых, техногенных цивилизаций. По одной из гипотез жизнь на Земле является не следствием длительной естественной биохимической эволюции, а результатом сознательной деятельности представителей высокоразвитых цивилизаций, которые планомерно доставляют «семена» жизни на планеты с подходящими для этого условиями.

По существующим представлениям, в расширяющейся Вселенной неизбежно должны возникать случайные уплотнения вещества, становящиеся затем центрами тяготения. Плотность вещества в центре тяготения постепенно возрастает. Из сгущений вещества возникают плоские образования, имеющие форму блинов. Под влиянием тяготения происходит сжатие водородно-гелиевой плазмы, что приводит к повышению температуры внутри "блина". Одновременно при сжатии возникает распад такого образования на мелкие подсистемы, которые становятся зародышами галактик. Источником энергии излучения звезд являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при огромной температуре, образовавшейся в результате гравитационного сжатия материи. Эту идею выдвинул в 1920 г. американский астрофизик А. Эддингтон. Планеты образовались, согласно современным представлениям, путем отделения от протозвезд под воздействием центробежных сил газопылевых экваториальных областей, захватывающих вместе с веществом и определенный момент количества движения. В образовавшемся газопылевом диске возникали центры гравитации, в которых образовывались планеты.

Сравнительно недавно была возрождена иерархическая концепция структуры Вселенной, восходящая к Канту и Лапласу. Впервые в XX веке к иерархическим представлениям вернулся американский астроном Ф. Цвикки (1898-1974), высказавший мысль, что вся наша Местная группа галактик является членом некоторой более крупной системы галактик. По мере развития астрономической техники выявлялись все новые сверхскопления галактик типа Местного и больших масштабов. Вместе с тем, представления об иерархии во Вселенной сегодня далеки от классических воззрений Канта-Лапласа, в которых заложена экстраполяция образа Солнечной системы на всю Вселенную. Если всего двадцать лет назад с помощью телескопов можно было обозревать не более двух процентов объема Вселенной, то сегодня космические телескопы наблюдают галактики, удаленные на 12 миллиардов световых лет, то есть видят эпоху, соответствующую 3 миллиардам лет от Большого Взрыва. По существующему мнению, человечеству доступно для обозрения 90% объема Вселенной. Определенные экспериментальные подтверждения получила гипотеза о том, что во Вселенной существует так называемая "темная материя" и что именно она составляет большую часть массы (более 95%).

2. Гипотеза Большого взрыва

Гипотеза Большого взрыва говорит, что приблизительно 20 миллиардов лет назад Вселенная была невероятно малых размеров. Ее радиус равнялся примерно 10-12 см, что близко к радиусу электрона. Мысленно разделите миллиметр на 100 миллиардов частей. Одна такая часть и есть 10-12 см. Говоря иначе, все бескрайнее невообразимое пространство нынешнего космоса, расстояния в котором измеряются миллионами световых лет, было спрессовано в предельно сжатом объеме, который являлся настолько малым, что его можно было бы назвать словом «ничто». И действительно, что такое одна стомиллиардная часть миллиметра? Почти ничто! Понятно, что плотность вещества в этом ничтожном объеме была колоссальной - приблизительно 1091 г/см3 . Также ясно, что в нем не было ни звезд, ни планет, ни всего прочего, ныне существующего, но все бесконечное многообразие Вселенной было заложено в этот первоначальный микрообъект, обычно называемый сингулярным (от лат. singularis - один, единственный), содержалось в нем потенциально, то есть, неявно, незримо, представляло собой возможность, которая должна была превратиться в действительность. Точно так же, как и большое дерево с многообразием своих форм потенциально содержится в маленьком зернышке. Примерно 20 миллиардов лет назад колоссальная плотность и энергия этого сингулярного объекта привели к Большому взрыву, результатом которого было образование и дальнейшая эволюция всех объектов Вселенной.

Есть и другое предположение о происхождении Большого взрыва. 20 миллиардов лет назад Вселенная была не ничтожно малым объектом, а вакуумом. Это слово переводится с латинского как «пустота». Однако вакуум - это не абсолютное ничто, не небытие. Чтобы подчеркнуть это, часто употребляют понятие физического вакуума, который представляет собой особое состояние материи. Говоря просто, физический вакуум - это такое ничто, в котором потенциально, скрыто, неявно содержится все. Он способен внезапно и резко перестраивать свою структуру, то есть меняться, переходить из одного состояния в другое. Такие переходы называют фазовыми (например, переход воды в пар и лед). В результате одного из фазовых переходов физического вакуума, который и был Большим взрывом, он из пустоты (ничего) превратился во Вселенную (все). Известный отечественный популяризатор науки В.С. Барашенков в своей книге «Кварки, протоны, Вселенная» описывает Большой взрыв следующим образом: «Предполагается, что вся энергия родившегося 20 млрд лет назад мира была заключена в его вакууме... Состояние рождающейся Вселенной напоминало то, что бывает высоко в горах перед грозой: напряженная, густая, потрескивающая сполохами разрядов пустота, которая вот-вот превратится в заполняющий все пространство водяной потоп».

Какой бы ни была Вселенная по различным представлениям до взрыва - сверхплотным микрообъектом или физическим вакуумом, непроизвольно возникает вопрос: а что существовало до этого микрообъекта или вакуума, а также: что находилось вокруг того и другого, или, иначе, где была эта точка или этот вакуум? Такого рода вопросы отпадут, если мы вспомним про теорию относительности. Ее основной идеей является утверждение о том, что материя, пространство и время - это не разные вещи, а, по большому счету, одно и то же и не существуют друг без друга. Когда мы спрашиваем, что было до сверхплотного микрообъекта или вакуума, то автоматически предполагаем, что время существовало само по себе, еще до появления материи. Понятно, что материя родилась из микрообъекта или из вакуума в момент Большого взрыва. Когда мы спрашиваем, где существовал сверхплотный микрообъект или вакуум, то автоматически предполагаем, что пространство существовало само по себе, еще до появления материи. Вспомним, Эйнштейн показал, что не может быть никакого пространства и времени без, помимо или вне материи. А это значит, что спрашивать о том, где находился сингулярный микрообъект или вакуум, равно как и о том, что существовало до того или другого, нельзя, потому что, если до взрыва не было материи, то не было и пространства со временем. А вернее, они являлись или этим сверхплотным микрообъектом, или физическим вакуумом и появились, как и материя, в результате Большого взрыва. В книге В.С. Барашенкова говорится об этом следующее: «Вопрос о том, что было «до начала мира», например, 40 или 50 млрд лет назад, предполагает, что тогда сохранялись условия, к которым приложимо наше понятие времени. На самом же деле для описания процессов вблизи «начала мира» нужны совсем другие мерки. Использовать здесь наши часы так же бессмысленно, как измерять длину и вес тела термометром» .

Гипотеза Большого взрыва не является только умозрительным предположением. В пользу нее косвенно говорят различные наблюдения. Так в 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемое красное смещение или, иначе говоря, заметил, что свет далеких галактик несколько краснее ожидаемого, т.е. их излучение смещается в красную сторону спектра. Еще раньше было установлено, что когда некое тело удаляется от нас, то его излучение смещается в красную сторону спектра (красное смещение), а когда оно, наоборот, приближается к нам, то его излучение смещается в фиолетовую сторону спектра (фиолетовое смещение). Таким образом, открытое Хабблом красное смещение свидетельствовало в пользу того, что галактики удаляются от нас и друг от друга с огромными скоростями, т.е., как то ни удивительно, в настоящее время Вселенная расширяется, причем одинаково во всех направлениях, то есть взаимное расположение космических объектов не меняется, а изменяются только расстояния между ними. Точно так же, как не меняется расположение точек на поверхности воздушного шара, но меняются расстояния между ними, когда его надувают. Но если Вселенная расширяется, то обязательно возникает вопрос: а какие же силы сообщают разбегающимся галактикам начальную скорость и дают необходимую энергию. Современная наука предполагает, что исходным моментом и причиной нынешнего расширения Вселенной был Большой взрыв.

Другим косвенным подтверждением гипотезы Большого взрыва является открытое в 1965 г. реликтовое излучение (от лат. relictum - остаток) Вселенной. Это излучение, остатки которого доходят до нас из того далекого времени, когда ни звезд, ни планет еще не было, а вещество Вселенной было представлено однородной плазмой, которая имела колоссальную температуру (около 4000 градусов), заключенное в небольшой области с радиусом в 15 млн. световых лет.

«Небольшой», потому что ныне расстояние до самой удаленной из наблюдаемых галактик исчисляется 10 миллиардами световых лет. Из этой простейшей плазмы, являвшейся смесью водорода и гелия, в процессе эволюции возникло все многообразие Вселенной. С течением времени под действием гравитационных и электромагнитных сил первоначально почти однородная плазма распалась на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались галактики и их скопления. Появление галактик произошло приблизительно 17-19 миллиардов лет назад. Примерно 15 миллиардов лет назад появились звезды, а также атомы других элементов (помимо водорода и гелия). Около 5 миллиардов лет назад родилось Солнце. Земля образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Приблизительно 3,8 миллиарда лет назад на нашей планете зародилась жизнь. Около 450 миллионов лет назад появились растения, а 150 миллионов лет назад - млекопитающие животные. Примерно 2 миллиона лет назад начался антропогенез (от греч. anthropos - человек и genesis - происхождение) - эволюция человека. Приблизительно 40 тысяч лет назад, как мы уже знаем, появился человек разумный, или homo sapiens.

Заключение

Итак, вселенная - это самая большая материальная система из всех возможных. По современным научным представлениям она эволюционировала от простейшего состояния к все более сложному, прошла в своей самоорганизации огромное количество этапов. Наиболее крупными вехами космической эволюции были следующие. 20 млрд лет назад произошел Большой взрыв, в результате которого, условно говоря, из «ничего» родилось «нечто». Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 миллиардов градусов. При такой температуре (которая выше температуры центра самой горячей звезды) ни молекулы, ни атомы, ни даже ядра атомов существовать не могут. Поэтому вещество Вселенной пребывало в виде появившихся в результате Большого взрыва элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя одну сотую секунды после взрыва была колоссальной - в 4 миллиарда раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 миллиарда градусов. При этой все еще очень высокой температуре, но уже не такой большой, как сразу после взрыва, стало возможным образование из элементарных частиц ядер атомов. В большинстве своем это были ядра водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино (то есть из разрозненных элементарных частиц). И только через несколько сотен тысяч лет начали образовываться первые атомы, главным образом, атомы водорода и гелия, которые образовали водородно-гелиевую плазму.

Список литературы

1. Аруцев В. Концепции современного естествознания. М.: Владос, 2008.

2. Барашенков В.С. Кварки, протоны, Вселенная. М.: Знание, 2007.

3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Академия, 2000.

4. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 2003.

5. Концепции современного естествознания / Под ред. М.С.Кунафина. – Уфа, 2003.

6. Концепции современного естествознания / Под ред. Найдыш В.М. – М.: Владос, 2009.

7. Концепции современного естествознания / Под ред. С.И.Самыгина. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.

© Размещение материала на других электронных ресурсах только в сопровождении активной ссылки

Контрольная работа по КСЕ (Естествознание)

Вы можете заказать оригинальную авторскую работу на эту и любую другую тему.

Модели происхождения Вселенной
Модели происхождения Вселенной
Модели происхождения Вселенной.rar
17.0 KiB
47 Downloads
Детали
Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

vadimmax1976@mail.ru

8-908-07-32-118

8-902-89-18-220

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!