Космологические модели Вселенной
Космологические модели Вселенной
Содержание
Введение.Строение Вселенной в Древности
.1Пироцентрическая модель Вселенной
.2Геоцентрическая модель Вселенной
.3Гелиоцентрическая модель Вселенной.Космологические модели Вселенной
.1Космология
.2Стационарная модель Вселенной
.3Нестационарная модель Вселенной
.4Современные исследования космологических моделей Вселенной. Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной
.5Темная материя
.6Темная энергия
Заключение
Литература
Введение
Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки – космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры.
Начиная с XIX в. космологические проблемы – не дело веры, а предмет научного познания. Они решаются с помощью научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура вселенной и как она сформировалась. В XX в. был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее, важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.
Актуальность данной работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к строению Вселенной в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью, а также вниманием к Вселенной в современном мире.
Объект исследования: Вселенная.
Предмет исследования: модели строения Вселенной.
Цель работы: рассмотреть современные космологические модели Вселенной.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
)Проанализировать литературу по курсу общей физики и астрономии, в связи с выбором предмета исследования.
)Проследить историю космологических исследований.
)Рассмотреть современные космологические модели.
)Подобрать иллюстративный материал.
Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Глава 1 посвящена истории строения Вселенной, Глава 2 рассматривает космологические модели Вселенной, Глава 3 открывает современные исследования космологических моделей, в заключении подводятся итоги о проделанной работе.
Глава 1. Строение Вселенной в Древности
.1Пироцентрическая модель Вселенной
Путь к пониманию положения нашей планеты и живущего на ней человечества во Вселенной был очень непростым и подчас весьма драматичным. В древности было естественным считать, что Земля является неподвижной, плоской и находится в центре мира. Казалось, что вообще весь мир создан ради человека. Подобные представления получили название антропоцентризма (от греч. antropos – человек). Многие идеи и мысли, которые в дальнейшем отразились в современных научных представлениях о природе, в частности в астрономии, зародились в Древней Греции, еще за несколько веков до нашей эры. Трудно перечислить имена всех мыслителей и их гениальные догадки. Выдающийся математик Пифагор (VI в. до н. э.) был убежден, что «в мире правит число». Считается, что именно Пифагор первым высказал мысль о том, что Земля, как и все другие небесные тела, имеет шарообразную форму и находится во Вселенной без всякой опоры. Пифагорейцы предложили пироцентрическую модель Вселенной, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня (Гестии). Чтобы всего получилось священное число – десять – сфер, шестой планетой объявили Противоземлю (Антихтон). Как Солнце, так и Луна, по этой теории, светили отражённым светом Гестии. Это была первая математическая система мира – у остальных древних космогонистов работало скорее воображение, чем логика. Расстояния между сферами светил у пифагорейцев соответствовали музыкальным интервалам в гамме; при вращении их звучит «музыка сфер», неслышимая нами. Пифагорейцы считали Землю шарообразной и вращающейся, отчего и происходит смена дня и ночи. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира. Это самый верхний, чистый и прозрачный слой воздуха, место пребывания богов [1].
1.2Геоцентрическая модель Вселенной
Другой не менее известный ученый древности, Демокрит – основоположник представлений об атомах, живший за 400 лет до нашей эры, – считал, что Солнце во много раз больше Земли, что Луна сама не светится, а лишь отражает солнечный свет, а Млечный Путь состоит из огромного количества звезд. Обобщить все знания, которые были накоплены к IV в. до н. э., смог выдающийся философ античного мира Аристотель (384-322 до н. э.).
Рис. 1. Геоцентрическая система мира Аристотеля-Птолемея.
Его деятельность охватывала все естественные науки – сведения о небе и Земле, о закономерностях движения тел, о животных и растениях и т. д. Главной заслугой Аристотеля как ученого-энциклопедиста было создание единой системы научных знаний. На протяжении почти двух тысячелетий его мнение по многим вопросам не подвергалось сомнению. Согласно Аристотелю, все тяжелое стремится к центру Вселенной, где скапливается и образует шарообразную массу – Землю. Планеты размещены на особых сферах, которые вращаются вокруг Земли. Такая система мира получила название геоцентрической (от греческого названия Земли – Гея). Аристотель не случайно предложил считать Землю неподвижным центром мира. Если бы Земля перемещалась, то, по справедливому мнению Аристотеля, было бы заметно регулярное изменение взаимного расположения звезд на небесной сфере. Но ничего подобного никто из астрономов не наблюдал. Только в начале XIX в. было наконец-то обнаружено и измерено смещение звезд (параллакс), происходящее вследствие движения Земли вокруг Солнца. Многие обобщения Аристотеля были основаны на таких умозаключениях, которые в то время не могли быть проверены опытом. Так, он утверждал, что движение тела не может происходить, если на него не действует сила. Как вы знаете из курса физики, эти представления были опровергнуты только в XVII в. во времена Галилея и Ньютона [6].
1.3Гелиоцентрическая модель Вселенной
Среди ученых древности выделяется смелостью своих догадок Аристарх Самосский, живший в III в. до н. э. Он первым определил расстояние до Луны, вычислил размеры Солнца, которое, по его данным, оказалось в 300 с лишним раз больше Земли по объему. Вероятно, эти данные стали одним из оснований для вывода о том, что Земля вместе с другими планетами движется вокруг этого самого крупного тела. В наши дни Аристарха Самосского стали называть «Коперником античного мира». Этот ученый внес новое в учение о звездах. Он считал, что они отстоят от Земли неизмеримо дальше, чем Солнце. Для той эпохи это открытие было весьма важным: из уютного домашнего мирка Вселенная превращалась в необъятный гигантский мир. В этом мире Земля с ее горами и равнинами, с лесами и полями, с морями и океанами становилась крошечной пылинкой, затерянной в грандиозном пустом пространстве. К сожалению, труды этого замечательного ученого до нас практически не дошли, и более полутора тысяч лет человечество было уверено, что Земля – это неподвижный центр мира. В немалой степени этому способствовало математическое описание видимого движения светил, которое разработал для геоцентрической системы мира один из выдающихся математиков древности – Клавдий Птолемей во II в. н.э. Наиболее сложной задачей оказалось объяснение петлеобразного движения планет [2].
Птолемей в своем знаменитом сочинении «Математический трактат по астрономии» (оно более известно как «Альмагест») утверждал, что каждая планета равномерно движется по эпициклу- малому кругу, центр которого движется вокруг Земли по деференту – большому кругу. Тем самым ему удалось объяснить особый характер движения планет, которым они отличались от Солнца и Луны. Система Птолемея давала чисто кинематическое описание движения планет – иного наука того времени предложить не могла. Вы уже убедились, что использование модели небесной сферы при описании движения Солнца, Луны и звезд позволяет вести многие полезные для практических целей расчеты, хотя реально такой сферы не существует. То же справедливо и в отношении эпициклов и деферентов, на основе которых можно с определенной степенью точности рассчитывать положение планет.
Рис. 2. Движение Земли и Марса.
Однако с течением времени требования к точности этих расчетов постоянно возрастали, приходилось добавлять все новые и новые эпициклы для каждой планеты. Все это усложняло систему Птолемея, делая ее излишне громоздкой и неудобной для практических расчетов. Тем не менее геоцентрическая система оставалась незыблемой еще около 1000 лет. Ведь после расцвета античной культуры в Европе наступил длительный период, в течение которого не было сделано ни одного существенного открытия в астрономии и многих других науках. Только в эпоху Возрождения начинается подъем в развитии наук, в котором астрономия становится одним из лидеров. В 1543 г. была издана книга выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473-1543), в которой он обосновал новую – гелиоцентрическую – систему мира. Коперник показал, что суточное движение всех светил можно объяснить вращением Земли вокруг оси, а петлеобразное движение планет – тем, что все они, включая Землю, обращаются вокруг Солнца [3].
На рисунке показано движение Земли и Марса в тот период, когда, как нам кажется, планета описывает на небе петлю. Создание гелиоцентрической системы ознаменовало новый этап в развитии не только астрономии, но и всего естествознания. Особо важную роль сыграла идея Коперника о том, что за видимой картиной происходящих явлений, которая кажется нам истинной, надо искать и находить недоступную для непосредственного наблюдения сущность этих явлений. Гелиоцентрическая система мира, обоснованная, но не доказанная Коперником, получила свое подтверждение и развитие в трудах таких выдающихся ученых, как Галилео Галилей и Иоганн Кеплер.
Галилей (1564-1642), одним из первых направивший телескоп на небо, истолковал сделанные при этом открытия как доводы в пользу теории Коперника. Открыв смену фаз Венеры, он пришел к выводу, что такая их последовательность может наблюдаться только в случае ее обращения вокруг Солнца [7].
Рис. 3. Гелиоцентрическая система мира.
Обнаруженные им четыре спутника планеты Юпитер также опровергали представления о том, что Земля является единственным в мире центром, вокруг которого может происходить вращение других тел. Галилей не только увидел горы на Луне, но даже измерил их высоту. Наряду с несколькими другими учеными он также наблюдал пятна на Солнце и заметил их перемещение по солнечному диску. На этом основании он заключил, что Солнце вращается и, следовательно, имеет такое движение, которое Коперник приписывал нашей планете. Так был сделан вывод о том, что Солнце и Луна имеют определенное сходство с Землей. Наконец, наблюдая в Млечном Пути и вне его множество слабых звезд, недоступных невооруженному глазу, Галилей сделал вывод о том, что расстояния до звезд различны и никакой «сферы неподвижных звезд» не существует. Все эти открытия стали новым этапом в осознании положения Земли во Вселенной [4].
Глава 2. Космологические модели Вселенной
.1 Космология
В переводе с греческого космология означает «описание мирового порядка». Это научная дисциплина, призванная найти наиболее общие законы движения Материи и построить понимание Вселенной как гармоничного единого целого. В идеале в ней (в космологической теории) не должно быть места случайности, но все наблюдаемые в Космосе явления должны представать как проявления общих законов движения Материи. Таким образом, космология – это ключи к пониманию всего, что происходит как в макрокосмосе, так и в микрокосмосе.
Космология – раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А.Эйнштейна (1915). Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х годов поставить космологию в ряд точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. Сейчас сложились две космологические школы: эмпирики ограничиваются интерпретацией наблюдательных данных, не экстраполируя свои модели в неизученные области; теоретики пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную, используя некоторые гипотезы, отобранные по принципу простоты и элегантности. Широкой известностью пользуется сейчас космологическая модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось некоторое время тому назад из очень плотного и горячего состояния; обсуждается и стационарная модель Вселенной, в которой она существует вечно и не имеет ни начала, ни конца [5].
2.2 Стационарная модель Вселенной
Начало новой теории происхождения Вселенной было положено публикацией в 1916 году работы Альберта Эйнштейна “Основы общей теории относительности”.
Эта работа является основой Релятивистской Теории Гравитации, на которую, в свою очередь, опирается современная космология. Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации. Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга – как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. Уже в 1917 году сам Эйнштейн предложил выведенную им из своих уравнений поля модель пространства, известную ныне как Модель Вселенной Эйнштейна. По своей сути это была стационарная модель. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство – время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.
С учётом космологической постоянной уравнения Эйнштейна имеют вид:
,
где ? – космологическая постоянная, gab – метрический тензор, Rab – тензор Риччи, R – скалярная кривизна, Tab – тензор энергии-импульса, c – скорость света, G – гравитационная постоянная Ньютона.
«Вселенная, изображаемая теорией относительности Эйнштейна, подобна раздувающемуся мыльному пузырю. Она – не его внутренность, а пленка. Поверхность пузыря двумерна, а пузырь Вселенной имеет четыре измерения: три пространственных и одно – временное», – так писал некогда видный английский физик Джеймс Джинс. Этот современный ученый (он умер в 1946 году) как бы возродил старую идею последователей Платона и Пифагора о том, что все вокруг – чистая математика, и бог, создавший эту математическую Вселенную, сам был великим математиком [8].
Но и Эйнштейн тоже был великим математиком. Его формулы позволяют вычислить радиус этой Вселенной. Поскольку кривизна ее зависит от массы тел, которые ее составляют, то надо знать среднюю плотность материи. Астрономы в течение многих лет изучали одни и те же маленькие участки неба и скрупулезно подсчитывали количество материи в них. Оказалось, что плотность равна приблизительно 10 -30 г/см 3 . Если подставить эту цифру в формулы Эйнштейна, то, во-первых, получится положительная величина кривизны, то есть наша Вселенная замкнута! – а, во-вторых, радиус ее равен 35 миллиардам световых лет. Это значит, что хотя Вселенная и конечна, но она огромна – луч света, мчась по Большому Космическому кругу, вернется в ту же точку через 200 миллиардов земных лет!
Это не единственный парадокс вселенной Эйнштейна. Она не только конечна, но безгранична, она еще и непостоянна. Свою теорию Альберт Эйнштейн сформулировал в виде десяти очень сложных, так называемых нелинейных дифференциальных уравнений. Однако далеко не все ученые отнеслись к ним как к десяти заповедям, допускающим лишь одно-единственное толкование. Да это и не удивительно – ведь точно решить такие уравнения современная математика не умеет, а приближенных решений может быть много.
2.3 Нестационарная модель Вселенной
Первые принципиально новые революционные космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925).
Основными уравнениями общей теории относительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые описывают геометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного пространства – времени.
Решение их позволяет в принципе построить математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн. Считая радиус кривизны пространства постоянным (т. е. исходя из предположения о стационарности Вселенной в целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу, что Вселенная должна быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра. В 1922-1924 гг. Фридман выступил с критикой выводов Эйнштейна. Он показал необоснованность его исходного постулата – о стационарности, неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридман пришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может быть однозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности [10].
Исходя из противоположного постулата – о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарные решения «мировых уравнений». В качестве примера таких решений он построил три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет, и Вселенная расширяется (в одной модели – из точки, в другой – начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.
Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной:
ØИзотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.
ØОднородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.
ØНестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься
В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности. А.Фридман, на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации – расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А.Фридмана – один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер. Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж. Леметр. В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться – эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля. В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное [11].
Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году, произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана – Де Ситтера – Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла. В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую) сторону.
Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения – такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния).
V = Hr ,
где V – скорость удаления галактик, H – постоянная Хаббла, r – расстояние между ними.
Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния. Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения [12].
Большинство современных космологов понимают это расширение, как расширение действительно всей мыслимой и существующей Вселенной… К сожалению, ранняя смерть не позволила гениальному теоретику Вселенной А. А. Фридману, идеи которого более полувека направляют мысль космологов, самому принять участие в дальнейшем революционном развитии процесса обновления космологической картины мира. Опыт истории развития знаний о мире подсказывает, однако, что и современная релятивистская космологическая картина мира, будучи результатом экстраполяции на все мыслимое «целое» знаний об ограниченной части Вселенной, неизбежно неточна. Поэтому можно думать, что она скорее отражает свойства ограниченной части Вселенной (которую и можно назвать Метагалактикой), причем, возможно, лишь один из этапов ее развития (что допускает релятивистская космология и что может проясниться с уточнением средней плотности материи в Метагалактике). В настоящее время, однако, в этом пункте картина мира остается неопределенной.
Глава 3. Современные исследования космологических моделей Вселенной
.1 Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной
Современная космология – это сложная, комплексная и быстроразвивающаяся система естественно – научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.
Совсем недавно, в области современной космологии было сделано открытие, которое в будущем сможет изменить наши представления о происхождении и эволюции нашей Вселенной. Ученые, внесшие огромный вклад в развитие этого открытия, были награждены за свои труды Нобелевской премией.
Нобелевская премия была вручена американцу Солу Перлмуттеру, австралийцу Брайану Шмидту и американцу Адаму Рису за открытие ускоренного расширения Вселенной.
В 1998 году ученые обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря изучению сверхновых типа Ia. Сверхновые – это звезды, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря своим уникальным свойствам эти звезды используют в качестве маркеров для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Вспышка сверхновой – это момент в жизни массивной звезды, когда она испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia. Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель [9].
Изучая удаленные от Земли сверхновые, ученые обнаружили, что они как минимум на четверть тусклее, чем предсказывает теория – это означает, что звезды расположены слишком далеко. Рассчитав, таким образом, параметры расширения Вселенной, ученые установили, что этот процесс происходит с ускорением.
3.2 Темная материя
Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.
Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых – гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рис. 4.
Рис. 4. Гравитационное линзирование.
Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 7 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 7 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями [13].
Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней.
Что собой представляют частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон – это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100-1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно [14].
Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.
Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии – коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100-1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7×7 Тераэлектронвольт. Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи – это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!
Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.
Наконец, еще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками – нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал, другой (AMANDA) – глубоко во льду на Южном полюсе. Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10-9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.
3.3 Темная энергия
Темная энергия – гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.
гелиоцентрический вселенная космологический гравитационный
Рис. 5. Иллюстрация темной энергии.
Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики XXI века.
Один из кандидатов на роль темной энергии – вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат – новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.
Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями. По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.
К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.
Заключение
В данной курсовой работе мной были рассмотрены космологические модели Вселенной. Проанализировав литературу по курсу общей физики и астрономии, я проследила историю космологических исследований, рассмотрела современные космологические модели Вселенной и подобрала иллюстративный материал к теме исследования. Доказав актуальность выбранной темы, подвела итоги по проделанной работе.
Литература
1.Берри А. Краткая история астрономии. Перевод С. Займовского. – М., Л.: ГИТЛ, 1946.
.Веселовский И.Н. Аристарх Самосский – Коперник античного мира. Историко-астрономические исследования. – М.: Наука, 1961. Вып.7, с.44.
.Ефремов Ю.Н., Павловская Е.Д. Определение эпохи наблюдения звездного каталога “Альмагеста” по собственным движениям звезд. — Историко-астрономические исследования. М.: Наука, 1989, вып.18.
.И. Г. Колчинский, А. А. Корсунь, М. Г. Родригес. Астрономы. 2-е изд., Киев, 1986.
.Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/М.: Академический проспект, 2001.
.Климишин И.А. Открытие Вселенной. – М.: Наука, 1987.
.Матвиевская Г.П. Ас-Суфи. – Историко-астрономические исследования. М.: Наука, 1983, вып.16, с.93–138.
.Паннекук А. История астрономии. – М.: Наука, 1966.
.С.Шапиро, С. Тьюкальски. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Москва, Мир, 1985
.Самыгина С.И. «Концепции современного естествознания»/Ростов н/Д: «Феникс», 1997.
.Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1986.
.Хокинг С. Краткая история времени: От Большого Взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.
.Э.В.Кононович, В.И.Мороз. Курс общей астрономии. Москва, 2002 год.
.Эйнштейн А. Эволюция физики/М.: Устойчивый мир, 2001.
diplomba.ru
Современные космологические модели Вселенной
Содержание:
1. Введение.
2. Современные космологические модели Вселенной.
3. Этапы космической эволюции.
4. Планеты.
5. Кометы.
6. Астероиды.
7. Звёзды.
8. Использованная литратура.
Введение.
Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд, звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.
Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во
Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.
Современные космологические модели Вселенной.
Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой
Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
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 метрически бесконечны.
– Пространство и время однородны и изотропны.
– Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности.
А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной,поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А.Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае “пустой”
Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л.А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А.А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и
Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.
Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией
Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер.
В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
Этапы космической эволюции.
Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет.
Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарной частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке выдвинут гак называемый антропный принцип в космологии. Суть его заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.
От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой.
Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре
(выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной – в 4 000 млн paз больше, чем у воды
В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.
Планеты.
Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны в древности. Уран открыт в 1781 г. В. Гершелем.
В 1846 году открыта восьмая планета – Нептун. В 1930 г. американский астроном К. Томбо нашел на негативах медленно движущийся звездообразный объект, который оказался новой, девятой планетой. Ее назвали Плутоном. Поиски и открытие спутников планет Солнечной системы продолжаются до настоящего времени.
На дисках Марса, Юпитера и Сатурна заметно множество интересных деталей. Одни из них принадлежат поверхности планет, другие – их атмосфере (облачные образования)
При наблюдении за Марсом в период противостояния можно увидеть полярные шапки, меняющиеся по временам года, светлые материки, темные области (моря) и периодическую облачность.
Кольца Сатурна – один из самых красивых объектов, которые можно наблюдать в телескоп. Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком, называемым щелью Кассини. Среднее кольцо является самым ярким. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет.
Опытные наблюдатели отмечают на диске Венеры наличие туманных пятен, вид которых меняется от дня ко дню. Эти пятна могут быть только деталями облачной структуры. Облака на Венере образуют мощный сплошной слой, полностью скрывающий от нас поверхность планеты.
Плутон, наиболее далекая среди известных нам планет Солнечной системы, в телескопе выглядит как звезда. Блеск его испытывает периодические изменения, видимо, связанные с вращением (период 6,4 суток).
mirznanii.com
Современные космологические модели Вселенной
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
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 претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
www.o8ode.ru
Современные космологические модели Вселенной
В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучалось движение планет и комет, описывались звезды, создавалась их классификация, что было, конечно очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился. Согласно классической космологии Ньютона, пространство и время однородны и изотропны, абсолютны и бесконечны. Вселенная стационарна, изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Однако признание бесконечности Вселенной приводило к двум парадоксам: гравита-ционным и фотометрическим. Суть гравитационного парадокса заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не су-ществовать вечно. Фотометрический парадокс: если существует бесконечное количест-во звезд, и они распределены в пространстве равномерно, то должна быть бесконечная светимость неба. На этом фоне даже солнца, казалось бы, черным пятном, но этого нет.
Эти космологические парадоксы оставались неразрешимыми до двадцатых годов ХХ века, когда на смену классической космологии пришла релятивистская. До этого времени наука не располагала теоретически осмысленными астрономическими данными, свидетельствующими о крупномасштабной эволюции вещества. После открытия явления естественной радиоактивности стала неизбежной мысль о нестабильности космической материи вообще, изменчивости химического состава Вселенной в особенности.
Первая релятивистская космологическая модель Вселенной была разработана А.Эйнштейном в 1917 году. Она основывалась на уравнении тяготения, введенного Эйнштейном в общей теории относительности. В соответствии с представлениями клас-сической астрономии о стационарности Вселенной, он исходил из предположения о неиз-менности свойств Вселенной, как целого во времени (радиус кривизны пространства он считал постоянным). Эйнштейн даже видоизменил общую теорию относительности, чтобы она удовлетворяла этому требованию, и ввел дополнительную космическую силу отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд. Модель Эйнштейна носила стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматри-валась как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. оно не имело ни начала, ни конца, а пространство было безгранично, но конечно.
В 1922 году российский математик и геофизик А.А.Фридман предположил неста-ционарное решение уравнением тяготения Эйнштейна, где метрика рассматривалась как меняющаяся со временем. Он доказывал, что Вселенная не может быть стационарной, она должна либо расширяться, либо сжиматься. А.Эйнштейн сначала отрицательно отнесся к работам Фридмана, однако вскоре признал ошибочность своей критики.
Модели Вселенной А.А.Фридмана вскоре получили подтверждение в наблюдениях движений далеких галактик – в эффекте «красного смещения», открытом в 1929 году американским астрономом Э.Хабблом. Хаббл обнаружил, что в спектрах далеких галак-тик спектральные линии смещены к красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринима-емая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении света происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в строну более длинных красных волн. Если обнаруженное Хабблом красное смещение понимать как результат эффекта Доплера, то это означает, что галактики «удаляются» от нас со ско-ростью, линейно зависящей от расстояния. В настоящее время, уже зарегистрированы ско-рости удаления, порядка 100 000 км/сек для наиболее далеких из наблюдаемых галактик.
Разбегание галактик не следует представлять себе как некое обычное движение в не изменяющемся со временем пространстве. Это не движение объектов в неизмененном пространстве, а эффект, обусловленный новыми свойствами с самого пространства – нестабильностью его материи. Итак, ни галактики расходятся в остающемся постоянном пространстве, а само пространство расширяется (меняется его материя) с течением време-ни. Для большей ясности можно привести двухмерную модель, наглядно иллюстриру-ющую фридмановское расширение. Возьмем резиновую сферу и будем ее надувать. Тогда все точки на поверхности будут удаляться друг от друга, причем из любой точки все остальные будут выглядеть разбегающимися. Таким образом, то обстоятельство, что от данной точки все остальные удаляются, отнюдь, не свидетельствует о каком-то центральном, привилегированном положении этой точки.
Подавляющее большинство современных космологических теорий представляет собой модели эволюционирующей Вселенной. Наиболее обоснованной среди них, счита-ется опирающаяся на идеи Фридмана модель горячего Большого взрыва, которую еще называют стандартной, по причине ее практически всеобщего признания в научной среде. Согласно этой гипотезе наша Вселенная (Метагалактика) 15-20 млрд. лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому предшествовало так называемое «сингулярное» (особое) состояние, когда материя видимой Вселен-ной была «стянута в точку», находясь в сверхплотном состоянии. Теоретические расчеты показывают, что в первоначальном, сингулярном, т.е. сверхплотном, состоянии плотность вещества Вселенной составила 1091 г/см3, а радиус был 10-12см, что близко к классическому радиусу электрона. Но представление о сингулярном состоянии как «стянутой в точку» материи с бесконечными значениями физических величин является, конечно, идеализацией, поскольку наука не располагает средствами установить размеры (радиус) видимой Вселенной в ее исходном сверхплотном состоянии.
От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру 100000 млн. градусов по Кельвину. При такой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атома и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 сек. после взрыва была огромной – в 4000 млн. раз больше чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов. При этой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия, образующие водородно-гелиевую плазму.
Существование Вселенной в качестве водородно-гелиевой плазмы подтверждается данными астрономии. В 1965 году было обнаружено так называемое «реликтовое» радио-излучение Вселенной, представляющее собой излучение горячей плазмы, сохранившееся с того времени, когда звезд и галактик не было.
В рамках модели Фридмана вопросы о конечности и бесконечности пространства и времени в определенном смысле становятся эмпирически верифицируемыми. Нестаци-онарный мир Фридмана, вообще говоря, может иметь положительную кривизну (закрытая модель) и отрицательную кривизну (открытая модель), он может иметь одну особую временную точку – начало времени (расширяющаяся Вселенная). Но он может иметь и бесконечно много особых точек. В этом случае ни одна из них не может считаться за начало времени, а их наличие просто означает, что во Вселенной периоды расширения сменяются периодами сжатия, когда галактики «сжимаются» (красное смещение смещается фиолетовым), плотность вновь принимает бесконечное значение, а затем вновь начинает расширяться (пульсирующая Вселенная).
Выбор между перечисленными возможностями зависит от величины средней плотности вещества и полей во Вселенной. Будущее нашего мира зависит от соотношения между скоростью разбиения галактик и силы, с которой они друг друга притягивают. Сила притяжения определяется средней плотностью вещества во Вселенной, а она известна приблизительно. В релятивистской космологии принято, что существует критическая величина средней плотности, равная приблизительно 10-29г/см3,т.е. 10 атомов водорода в одном м3. Если реальная средняя плотность материи меньше критичес-кой, пространство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно. Согласно этой модели во Вселенной через 1033 и более лет вещество превратится в разряженный газ электронов, позитронов, фото-нов, а интервале 1060 до 10100 лет испаряться и так называемые «черные дыры». Если средняя плотность материи оказывается больше критической, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием, коллапсом, в результате которого возникнет новое сингуляр-ное состояние. Итак, единственная альтернатива человечеству во Вселенной – «либо быть сожженным в закрытой Вселенной, либо быть замороженными – в открытой».
Стандартная модель расширяющейся Вселенной имеет ряд теоретических проблем и трудностей, которые побуждают космологов к поиску новых концепций. Одна из новей-ших концепций, получила название теории раздувающейся Вселенной, чтобы подчерк-нуть огромную скорость её расширения, несравненно более высокую по отношению к ско-рости расширения, характерной для стандартной модели. Создателем данной теории (называемой иначе инфляционной моделью) является американский космолог А.Г. Гус. Первый вариант этой теории был представлен им в 1981 году. Теория Гуса была создана на основе приложения теории «Великого объединения» (т.е. теории, описывающей единым образом сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) к описаниям самых первых мгновений эволюции Вселенной. Эта теория позволяет разрешить некото-рые проблемы, возникающие в рамках стандартной модели, но порождает новые. В насто-ящее время существуют уже три варианта модели раздувающейся Вселенной, различа-ющиеся различными подходами и взглядами на природу исходного состояния, с которой началась эволюция Вселенной. Но все эти гипотезы нельзя считать достаточно обоснован-ными, поскольку ещё не найден ответ на вопрос о первоначальной причине расширения Вселенной. Однако, два экспериментально установленных положения – расширение Вселенной и реликтовое излучение – являются весьма убедительными доводами в пользу теории Большого взрыва, ставшей теперь общепризнанной.
students-library.com
Современные космологические модели Вселенной
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
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 претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
www.berl.ru
Проект на тему: “Современная модель Вселенной”
Слайд 1
Современная модель Вселенной (проект) Автор: Мечиев Астемир Ученик 5 класса МК ОУ СОШ с. п. Карасу Руководитель : Гергокова Я.И.Слайд 2
Проблема Люди выдви гали много гипот е з о пр оисхождении Вселенной. Но какая из них самая современная и точная?
Слайд 3
Цел ь и задачи Цель: найти и представить наиболее современную модель Вселенной. Задачи: 1) Собрать и изучить материал по теме. 2) Показать научное обоснование вопроса происхождения Вселенной. 3) Представить собранный материал в виде презентации .
Слайд 4
Вселенная Окружающий нас мир велик и многообразен. Все, что окружает нас, будь то другие люди, животные, растения, видимые только под микроскопом мельчайшие частички и гигантские скопления звезд, микроскопические атомы и огромные туманности, составляет то, что принято называть Вселенной. С незапамятных времен человеческий разум интересует вопрос о возникновении мира. Еще не существовало таких понятий как религия и наука, а человек уже задумывался о мироустройстве и своем положении в окружавшем его пространстве.
Слайд 5
Теория Большого Взрыва Многие слышали что наша Вселенная произошла в результат е Б ольшого В зрыва. Так это или нет утверждать определенно довольно сложно, однако, все существующие астрономические наблюдения подтверждают теорию Б ольшого В зрыва. Мы, опираясь на современные научные теории, попробуем в самых общих чертах описать жизнь Вселенной в первые мгновения своего существования. Согласно космологической модели Фридмана — Леметра, Вселенная возникла в момент Большого Взрыва — около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь
Слайд 7
Загадки Большого Взрыва 1.Как гласит теория Большого Взрыва, Вселенная возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние не поддается математическому описанию. 2. Теория большого взрыва не может объяснить существование галактик. Современные версии космологических теорий предсказывают только появление однородного облака газа. 3. Проблема недостающей массы. Измеряя световую энергию, излучаемую Млечным Путем, можно приблизительно определить массу нашей галактики. Она равняется массе ста миллиардов Солнц. Однако, изучая закономерности взаимодействия того же Млечного Пути с близлежащей галактикой Андромеды, мы обнаружим, что наша галактика притягивается к ней так, как будто весит в десять раз больше
Слайд 8
Вывод Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты. Современность развивается и по сей день и возможно будет выдвинуто еще много концепций и моделей зарождения Вселенной, но пока человечество придерживается тех, что существуют в настоящее время.
Слайд 9
Использованная литература и ресурсы интернет 1. Учебник по географии 5-6 класса А.И. Алексеева 2. Большая энциклопедия « Почему? » https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=dd8bacd2254df6a0fec4065c620416af&n=33&h=215&w=344 . http://www.bestsiling.ru/images/kosmos/7.jpg фон https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/0bb2/00006d59-c42ade21/img96.jpg модель
nsportal.ru
Современная модель эволюции Вселенной
История окружающего нас мира, история Вселенной – это вопрос, который волновал человечество, начиная с самых ранних ступеней познания. Мифы и религиозные учения предполагают свои «космологические системы», свои теории эволюции Вселенной.
Эволюция Вселенной, начиная с Большого взрыва, рассматривается как совместное развитие микрои макроявлений, включающее процессы дифференциации и усложнения в микро – и макроветвях эволюции.
Наша Вселенная участвует в закономерном эволюционном процессе.
Но было бы ошибкой процесс эволюции Вселенной, равно, как и всякой другой материальной системы, отождествлять лишь с одной прогрессивной ветвью развития. Развитие всегда состоит из двух ветвей или этапов – прогрессивного и регрессивного, которые объединяются одной общей характеристикой: необратимостью происходящих в них изменений.
Состояние вещества и ход физических процессов, сами понятия о времени и пространстве в «ранний» период эволюции Вселенной, когда плотность была грандиозна, еще недостаточно ясны и, вероятно, существенно отличаются от понятий физики сегодняшнего дня.
Но качественные изменения во Вселенной происходили не только в далеком прошлом. Имеются теоретические предположения, что при определенных условиях эволюция звезд приводит к образованию так называемых «черных дыр». Поле тяжести у поверхности этих дыр так велико, что силы гравитации «сковывают» в этой части пространства все виды лучистой энергии, в том числе и свет. Поэтому эти массивные звезды становятся невидимыми, если только на них не падает вещество извне. Выяснение того, как при этом все же обнаружить «черные дыры», является одной из интереснейших задач современной астрофизики.
Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его астрономических аспектов. Существуют разные модели Вселенной: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра», «Вселенная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным представлениям о ней как в целом.
Современная картина эволюционирующей Вселенной – не только расширяющейся, но и буквально «взрывающейся», – пожалуй, так же мало похожа на картину статичной Вселенной, которую рисовала астрономия начала XX в., как современные представления о взаимопревращаемости атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики.
Научная постановка вопроса об истории Вселенной-одно из важнейших завоеваний современной науки. Астрономия использует наблюдения с помощью телескопов, исследует спектры далеких небесных тел, изучает радиоволны, приходящие из самых отдаленных областей. Выводы из этих наблюдений делаются с учетом законов природы, изученных в земных лабораториях. Мы используем данные о спектрах атомов, о законах излучения и распространения радиоволн. Мы применяем к Вселенной и к огромным скоплениям звезд теорию всемирного тяготения, проверенную в земных условиях и в Солнечной системе, в частности по движению созданных человеком космических аппаратов.
Большим достижением нашего века является установление факта эволюции, изменяемой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего – водорода. Горение здесь заключается в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тыс. млн. звезд. Нужно только помнить, что ни сама Земля, ни Солнечная система, ни Галактика не расширяются.
Новое, открытое в 1965 г. излучение объясняется тем, что много миллиардов лет назад вся Вселенная была совершенно не похожа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плазмой, – горячим газом, состоящим из электронов, ядер водорода и гелия и излучением. Частицы излучения при этом даже преобладали. Вселенная расширялась, и в ходе этого расширения происходило постепенное изменение, остывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, – это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверждается и спектром радиоволн – теория позволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах.
С охлаждением связано и выделение отдельных небесных тел. Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воздухе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа.
Подробное теоретическое исследование процесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики.
www.o8ode.ru