Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции. 4

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО  – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа  по предмету:

Концепции современного естествознания

Вариант № 12

Тема: Мегамир: современные  астрофизические  и космологические  концепции. 
 
 
 
 
 
 
 

Работу  выполнила: Никитина Екатерина

Факультет: Финансы и кредит 1 курс

(вечернее  отделение)

Преподаватель: Голубева Наталья Александровна 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Калуга  2010 г. 
 
 
 

Содержание:

Введение.............................................................................................................................................3

Вопрос 1. Понятие «Мегамир». Современные космологические модели Вселенной…………4

Вопрос 2. Сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной………………………7

Вопрос 3. Анализ структуры Вселенной………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………………………………12

Список  литературы……………………………………………………………………………….13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краткое содержание:

1.Изложить современное  понимание Мегамира, вскрыть его сущность и границы, показать его связь с разработкой моделей Вселенной.

2.Охрактеризовать  проблему происхождение Вселенной и показать основные этапы ее эволюции.

3.Изложить современные  представления о том, как «устроена»  Вселенная. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

На всем протяжении своего существования Человек  изучает окружающий его мир. Будучи мыслящим существом, Человек, как в отдаленном прошлом, так и сейчас, не мог и не может ограничиваться тем, что ему непосредственно дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда стремился, и будет стремиться выйти за ее пределы.

Характерно  то, что познание окружающего мира человеком началось с космогонических  размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о "начале всех начал". История не знает ни одного народа, который  рано или поздно в той или иной форме не задался этим вопросом и не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного развития данного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический прогресс позволили продвинуться в разрешении вопроса о возникновении Вселенной  от мифологического мышления к построению научных теорий. 

Проблема "начала мира" - одна из тех немногих мировоззренческих проблем, которые  проходят через всю интеллектуальную историю человечества.  Появившись однажды на белый свет, идея "начала мира" с тех пор всегда занимала мысли ученых и время от времени в том или ином обличии вновь и вновь всплывает на поверхность. Так, казалось бы, навсегда похороненная во времена средневековья, она нежданно-негаданно появилась на горизонте научной мысли второй половины ХХ столетия и стала всерьез обсуждаться на страницах специальных журналов и на заседаниях проблемных симпозиумов.

За истекшее столетие  наука о Вселенной  добралась до самых верхних этажей структурной организации материи - галактик, их скоплений и сверхскоплений. Современная космология активно взялась за проблему происхождения (формирования) этих космических образований. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Анализ  понятия Мегамир. Современные космологические  модели Вселенной.

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 и звездных систем – галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка – Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика»  очень близки: они характеризуют  один и тот же объект, но в разных его аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры, как упорядоченную систему галактик.

Строение  и эволюция Вселенной изучаются  космологией. Космология как раздел естествознания находится на стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами модели имеют большое мировоззренческое значение.

     В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как и сейчас. Наука ХIХ в. рассматривала атомы, как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить о времени их жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по - прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты – свой неизменный бег по орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая  ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким 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.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности  Вселенной.

Первый  парадокс получил название, гравитационного. Суть его 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 существовать вечно.

Второй  парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная  космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного  уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное  уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала  как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем  и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна  стационарна, бесконечна во времени  и безгранична в пространстве.

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 от 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. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной  и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает  три возможности:

1. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.
2. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется.
3. Если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной  неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверхплотного  состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

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.

Расширение  Вселенной долгое время считалось  научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее  время не представляется возможным. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сущность  проблемы происхождения и эволюции Вселенной.

    Вселенная постоянно расширяется. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Американский физик Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассмотрев ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва».

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной  в 13—15 млрд лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры:

• Эра адронов. Эра тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия. При очень высоких  температурах  и  плотности  в  самом начале существования Вселенной  материя  состояла  из  элементарных  частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов,  и  поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.
• Эра лептонов. Эра легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие. Температура  была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное  возникновение  электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны  и  нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
• Фотонная эра.  Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.
• Звездная эра наступает через 1 млн лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина  образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва обосновывается и так называемая инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается идея творения Вселенной. Эта идея имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало. Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации. Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени.

Стадия  инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап  отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г.А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении  от максимально простого однородного  состояния к созданию все более сложных структур — атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения — человека.

Различие  между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Анализ  структуры Вселенной.

Вселенной на самых различных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

1. Метагалактика - совокупность звёздных систем (галактик), частью которой является всё множество (около 1 млрд.) галактик, доступных современным телескопам. Наша Галактика, или система Млечного Пути, — одна из звёздных систем, входящих в состав Метагалактики.

Средняя плотность вещества в известной  нам части Метагалактика оценивается  различными авторами от 10^-31 до 10^-30г/см³. Наблюдаются, однако, значительные местные неоднородности, иногда крупного масштаба, связанные с наличием структурных образований внутри Метагалактика. Многие галактики составляют группировки различной степени сложности — двойные и более сложные кратные системы; скопления, включающие десятки, сотни и тысячи галактик; облака, содержащие десятки тысяч (и более) галактик. Распределение галактик в масштабе всей известной части Метагалактики не обнаруживает систематического падения плотности в каком-либо направлении, что могло бы указывать на приближение к границам Метагалактики. Отсутствие такого падения плотности может свидетельствовать об относительно малых размерах известной нам области по сравнению с размерами Метагалактики. Каковы бы ни были эти размеры, Метагалактику нужно рассматривать как огромную, но конечную совокупность галактик, обладающую в течение длительного времени определёнными особенностями строения и движения. К таким особенностям может относиться и взаимное удаление галактик, охватывающее всю Метагалактику или её часть. Т.о., Метагалактика представляет собой конечное и преходящее структурное образование в вечной и бесконечной Вселенной, содержащей, в частности, бесчисленное множество галактик.

2. Галактика — гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.  Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

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

Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные  галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика — Млечный Путь.

Неправильные  галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно  мощным радиоизлучением, превосходящим  видимое излучение.

Наша  галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она  состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

     Ближайшая к нашей галактике  – "туманность Андромеды". Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923г. Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

3.  Звезды - самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскалённых газов, по своей природе сходные с Солнцем. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Звезды  не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы  — так называемые кратные системы  — состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления — насчитывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления — многие сотни тысяч. И ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

4. Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов.     Общая структура Солнечной системы была раскрыта Н. Коперником (середина XVI в.), который обосновал представление о движении Земли и других планет вокруг Солнца. Гелиоцентрическая система Коперника впервые дала возможность определить относительные расстояния планет от Солнца, а, следовательно, и от Земли. И. Киплер открыл (начало XVII в.) законы движения планет, а И.Ньютон сформулировал (конец XVII в.) закон всемирного тяготения. Эти законы легли в основу небесной механики, исследующей движение тел Солнечной системы. Изучение физических характеристик космических тел, входящих в Солнечную систему, стало возможным только после изобретения Г. Галилеем телескопа: в 1609 Галилей впервые направил изготовленный им маленький телескоп на Луну, Венеру, Юпитер и Сатурн и сделал ряд поразительных для его эпохи открытий. Наблюдая солнечные пятна, Галилей обнаружил вращение Солнца вокруг своей оси.

Первые  теории происхождения Солнечной  системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта—Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

Согласно  этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альф-веном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы. В соответствии с современными представлениями, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце, и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации 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 находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты.

Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места. 
 

Заключение. 

     В настоящее время в области  фундаментальной теоретической  физики разрабатываются концепции,  согласно которым объективно  существующий мир не исчерпывается  материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.

     Возможность "законченных теорий" означала бы возможность конца  науки, дальше которого нечего  было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченность каждой  отдельной теории предполагает  бесконечность всего научного  познания. Известные науке обобщающие теории составляют важные этапы ее развития. Все они основаны на конкретных принципах, обобщающих определенный круг фактов,  и допускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по пути создания все более общих и глубоких теорий, учитывающих новые, неизвестные ранее факторы. Так было, так будет и дальше. Вселенная, возникнув из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, однако ничто не исключает возможности повторных отклонений. Таков закон познания, обусловленный законами самой природы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Используемая  литература:

1. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ под ред. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2009. - 319 с.
2. Горелов А.А. Концепции современного  естествознания: Учебное пособие, практикум, хрестоматия – М.: Гума – лит. изд. Центр ВЛАДОС, 1998. – 512с.: ил.
3. Силк Д. Большой взрыв. М., 1990.