Мегамир: Современные астрофизические и космологические концепции

Содержание

Введение

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

Используя достижения различных  наук, таких, как физика, математика, философия, возникла новая наука  – космология. Это совокупность накопленных теоретических положений  о строении вещества и структуре  Вселенной, как цельного объекта, так  и отдельные научные знания охваченного  астрономическими наблюдениями мира как  части Вселенной. Предметом космологии является весь окружающий нас «Мегамир», а задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции вселенной.

Цель контрольной работы дать анализ понятия «Мегамир», охарактеризовать современные космологические модели Вселенной, изложить сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной, дать анализ структуры Вселенной.

Задачи контрольной работы изложить современное понимание  «Мегамира», вскрыть его сущность и границы, показать его связь  с разработкой моделей Вселенной. Охарактеризовать проблему происхождения  Вселенной  и показать основные этапы  ее эволюции. И,  наконец, изложить современное  представление о том, как «устроена» Вселенная.

1.Анализ понятия «Мегамир»

«Мегамир» это современное понимание космоса и Вселенной. Космос - термин, ведущий из древнегреческой философии для обозначения мира как структурно организованного и упорядоченного целого. Космосом греки называли мир, упорядоченный, прекрасный в своей гармонии, в отличие от хаоса – первозданной сумятицы. Сейчас под космосом понимают все находящееся за пределами земли. Иначе космос называют Вселенной. Вселенная – это окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений.

Вселенная представляет собой  все небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные  системы звезд, звездные скопления, галактики, а также материя в  виде излучения. Таким образом,  космическое  межзвездное пространство никоим образом  не пусто.

Для изучения Вселенной существует астрономическая наука – космология.

Современная космология —  это сложная, комплексная и быстро развивающаяся 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.

Общие закономерности развития и структуры Вселенной изучаются  путем построения космологических  моделей. Это делается на основании  общей теории относительности, созданной  Эйнштейном в 1917 г., основные принципы (постулаты) и положения. Впрочем, позже  было установлено, что основные характеристики космологических моделей можно  получить, исходя из ньютоновых классических представлений.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик  А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна  не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения  Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная  может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный  пузырь, у которого и радиус, и  площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся  Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного  смещения» спектральных линий. Это  было истолковано как следствие  эффекта Допплера — изменение  частоты колебаний или длины  волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием.

2. Проблемы происхождения  и эволюции Вселенной

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения  Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности 10⁹⁴ г/см³, то оно займет объем около 10^-33 см³. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

Основная идея концепции  Большого взрыва состоит в том, что  Вселенная на ранних стадиях возникновения  имела неустойчивое вакуумноподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.

Пока вакуум находится  в равновесном состоянии, в нем  существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда  же вакуум по какой-либо причине в  некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния  равновесия, то виртуальные частицы  стали захватывать энергию без  отдачи и превращались в реальные частицы. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда  же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия  излучения, а «суперсила» сжала частицы в сверхплотную материю. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. В это время идет безудержное  раздувание «пузырей пространства», зародышей  одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами  и законами. Один из них стал зародышем  нашей Метагалактики.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает невообразимо малый промежуток времени  — до 10^-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.

К концу фазы инфляции Вселенная  была пустой и холодной, но когда  инфляция иссякла, Вселенная вдруг  стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние  вакуума очень неустойчиво и  стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. 

3. Анализ структуры Вселенной

После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газопылевое  облако и электромагнитный фон. Спустя I млрд. лет после начала образования  Вселенной стали появляться галактики  и звезды. К этому времени вещество уже успело охладиться, и в нем  стали возникать стабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие  космос. В сформировавшейся материальной среде появлялись и получали развитие случайные уплотнения вещества. Появление подобных уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных космических структур.

Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем — галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным  межгалактическим газом и пронизываемом  межгалактическими лучами. В.Н. Лавриненко

Галактики это гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные  магнитными полями и космическими лучами. В одной галактике может насчитываться  до 1013 звезд. Галактики существуют в  виде групп, скоплений и облаков  скоплений.

Галактики могут иметь  разные формы, которые связаны с  их размерами, массой, светимостью и  другими физическими характеристиками. Наиболее часто встречающаяся форма  галактик – спиральная (к этому  типу относится наша галактика). Наблюдаются  также эллиптические галактики  и галактики неправильной формы.

Звездные скопления состоят  из сотен или тысяч звезд. В  отличие от галактик, звездные скопления  имеют рассеянную структуру, т.е. не имеют центрального ядра и строгой  формы.

Звезды имеют различные  параметры – размер, свечение и  др. Основное вещество звезды – ионизированный газ.

Существует несколько  групп звезд.

Белые карлики — проэволюционировавшие  звёзды с небольшой массой, лишённые собственных источников термоядерной энергии.

Красные гиганты – к  ним относят звёзды со сравнительно небольшой температурой излучающей поверхности.

Наиболее многочисленный класс звезд составляют звезды главной  последовательности, к такому типу звезд принадлежит и наше Солнце.

Новые, сверхновые звёзды —  звёзды, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе.

Чёрная дыра — область  в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в  том числе и кванты самого света)

Так же существую и другие космические тела планеты, кометы, астеройды.

Заключение

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

В контрольной работы изложено современное понимание «Мегамира», раскыты его сущность и границы, показаны его связь с разработкой  моделей Вселенной. Охарактеризована проблема происхождения Вселенной  и показаны основные этапы ее эволюции. Так же рассмотрено современное  представление о том, как «устроена» Вселенная.

Таким образом, цели работы достигнуты, поставленные задачи выполнены.

Список использованной литературы

1. Вайберг  С., Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение вселенной . – «Владос», М.., 2000- 272 стр. 105-123
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания – М.: Высшее образование, 2006
3. Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания: учебник/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: 2006. – 317 с. стр. 89-142
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: учебник/ В.М. Найдыш. – М.: 2004. – 622 с.стр. 391- 440
5. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник/ А.П. Садохин. – М.: 2006. – 449 с. Стр. 126-156