Бесконечность материи и развитие вселенной

     Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учереждение высшего  профессионального образования 

     АМУРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

     (ГОУВПО  «АмГУ») 

Факультет Инженерно-физический

Кафедра Химии 

Специальность 080109 – Бухгалтерский учет, анализ и аудит 
 

Реферат 
 

На тему: Бесконечность материи и развитие вселенной 

По дисциплине «Концепция современного ествествознания» 
 
 
 
 
 

Исполнитель 

?????7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Благовещенск 2011

     Содержание

     Введение ...............................................................................................................

     1 История изучения вселенной........................................................................

     2 Современное понятие вселенной.................................................................

     3 Изучение материи............................................................................................

     4 Структурные уровни организации материи.................................................

     5 Современное изучение вселенной...............................................................

     6  Рождение и развитие вселенной.....................................................................

     Заключение.........................................................................................................  
 
 

     ВВЕДЕНИЕ

     Я верю в интуицию и вдохновение.

     «... Иногда я чувствую, что стою на правильном пути, но не могу объяснить свою уверенность. Когда в 1919 году солнечное затмение подтвердило мою догадку, я не был ничуть удивлен. Я был бы изумлен, если бы этого не случилось. Воображение важнее знания, ибо знание ограничено, воображение же охватывает все на свете, стимулирует прогресс и является источником ее эволюции. Строго говоря, воображение — это реальный фактор в научном исследовании.»

     А. Эйнштейн

     1. История изучения  вселенной.

     Процесс эволюции Вселенной происходит очень  медленно. Ведь Вселенная во много  раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни  на земле является лишь ничтожным  звеном в эволюции Вселенной. И всё  же исследования проведенные в нашем  веке, приоткрыли занавес,  закрывающий  от нас далекое прошлое.

     Аристотель  думал, что Земля неподвижна, а  Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями  Землю считал центром Вселенной, а круговое движение – самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

     Ньютон  понимал, что по его теории тяготения  звезды должны притягиваться друг к  другу и поэтому, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще  одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так  действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области  пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и  они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать.

     Эти рассуждения – пример того, как  легко попасть впросак, ведя разговоры  о бесконечности. В бесконечной  Вселенной любую точку можно  считать центром, так как по обе  стороны от нее число звезд  бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход –  взять конечную систему, в которой  все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие  будут изменения, если добавлять  еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой  области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут  с той же скоростью падать в  центр выделенной области. Сколько  бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная  статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.

     Как-то один известный ученый (говорят, это  был Бертран Рассел) читал публичную  лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, обращается вокруг центра огромного скопления  звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась  маленькая пожилая леди и сказала: «Все, что вы нам говорили, – чепуха. На самом деле наш мир – это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи». Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держится черепаха?» – «Вы очень умны, молодой человек, – ответила пожилая леди. – Черепаха – на другой черепахе, та – тоже на черепахе, и так все ниже и ниже».  
   Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.

     2. Современное понятие  вселенной. 

     Вселе́нная — фундаментальное понятие астрономии, строго не определяемое, включает в себя весь окружающий мир. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественнонаучными методами. Вселенная как единое целое является предметом изучения раздела астрономии - космологии.

     Такое определение включает в себя две  сущности: умозрительная, философская, и нечто материальное, доступное  наблюдениям в настоящее время  или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

     В историческом плане для обозначения  «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты  и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для  определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба в составе гораздо большей системы, частью которой является исходная система.

     Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение ребёнка за кошкой, физика — за тем, как раскалывается ядро атома, или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой — всё это наблюдение за Вселенной, а если быть точным — за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных естественных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология. Именно эти аспекты знаний о Вселенной составляют предмет данной статьи.

     3. Изучение материи. 

     «Основой всей научной работы служит убеждение, что мир представляет собой упорядоченную и познаваемую сущность. Это убеждение зиждется на религиозном чувстве. Мое религиозное чувство — это почтительное восхищение тем порядком, который царит в небольшой части реальности, доступной нашему слабому разуму.» - А. Эйнштейн.

     Развивая  логическое мышление и рациональный подход к изучению реальности, наука  сумеет в значительной степени ослабить суеверие, господствующее в мире. Нет  сомнения в том, что любая научная  работа, за исключением работы, совершенно не требующей вмешательства разума”  исходит из твердого убеждения (сродни религиозному чувству) в рациональности и познаваемости мира.

     Музыка  и исследовательская работа в  области физики различны по происхождению, но связаны между собой единством  цели—стремлением выразить неизвестное. Их реакции различны, но они дополняют  друг друга. Что же касается творчества в искусстве и науке, то тут  Эйнштейн полностью соглашается с Шопенгауэром, что наиболее сильным их мотивом является желание оторваться от серости и монотонности будней и найти убежище в мире, заполненном нами же созданными образами. Этот мир может состоять из музыкальных нот так же, как и из математических формул. Мы пытаемся создать разумную картину мира, в котором мы могли бы чувствовать себя как дома, и обрести ту устойчивость, которая недостижима для нас в обыденной жизни.

     Закон поможет быть точным хотя бы потому, что понятия, с помощью которых  мы его формулируем, могут развиваться  и в будущем оказаться недостаточными. На дне любого тезиса и любого доказательства остаются следы догмата непогрешимости.

     Каждый  естествоиспытатель должен обладать своеобразным религиозным чувством, ибо он не может представить, что те взаимосвязи, которые он постигает, впервые придуманы  именно им. Он ощущает себя ребенком, которым руководит кто-то из взрослых.

     Мы  можем познавать Вселенную лишь посредством наших органов чувств, косвенно отражающих объекты реального  мира.

     Ученые  в поисках истины не считаются  с войнами.

     Нет иной Вселенной, кроме Вселенной  для нас. Она не является частью наших  представлений. Разумеется, сравнение  с глобусом не следует понимать буквально. Эйнштейн воспользовался этим сравнением как символом. Большинство ошибок в философии и в логике происходят из-за того, что человеческий разум склонен воспринимать символ как нечто реальное.

     «Я смотрю на картину, но мое воображение не может воссоздать внешность ее творца. Я смотрю на часы, но не могу представить себе, как выглядит создавший их часовой мастер. Человеческий разум не способен воспринимать четыре измерения. Как же он может постичь бога, для которого тысяча лет и тысяча измерений предстают как одно?» - А. Эйнштейн. Представьте себе совершенно сплющенного клопа, живущего на поверхности шара. Этот клоп может быть наделен аналитическим умом, может изучать физику и даже писать книги. Его мир будет двумерным. Мысленно или математически он даже сможет понять, что такое третье измерение, но представить себе это измерение наглядно он не сможет.Человек находится точно в таком же положении, как и этот несчастный клоп, с той лишь разницей, что человек трехмерен. Математически человек может вообразить себе четвертое измерение, но увидеть его, представить себе наглядно, физически человек не может. Для него четвертое измерение существует лишь математически. Разум его не может постичь четырехмерия.

     4. Структурные уровни организации материи.

     Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование  в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Но если рассматривать  материю в целом, во всех доступных  и потенциально возможных формах ее существования, то понятие структуры  материи будет охватывать также  различные макроскопические тела, все  космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях.

     Проявлениями  структурной бесконечности материи  выступают: неисчерпаемость объектов и процессов микромира, бесконечность пространства и времени, бесконечность изменений и развития материи.

     В доступных пространственно-временных  масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей.

     5. Современное изучение вселенной

     Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом  деле существует много других галактик, разделенных огромными областями  пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько  велики, что, в отличие от положений  близких звезд, видимые положения  галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к  косвенным методам. Видимая яркость  звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких  звезд и расстояние до них мы можем  измерить; следовательно, мы можем вычислить  и их светимость.

     И наоборот, зная светимость звезд в  других галактиках, мы могли бы вычислить  расстояние до них, измерив их видимую  яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся  достаточно близко для того, чтобы  можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них  такую же светимость, мы сумеем вычислить  расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд  одной и той же галактики дадут  один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать  надежной.

     Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика - одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в  современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь  содержит сотни тысяч миллионов  звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий  в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста  тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной! 

     Закон тяготения Ньютона говорит, что  чем дальше тела друг от друга, тем  меньше сила их взаимодействия. Согласно этому закону, гравитационная сила притяжения звезды составляет ровно  четверть силы притяжения такой же звезды, но находящейся на вдвое  меньшем расстоянии. Закон Ньютона  позволяет с большой точностью  предсказать орбиты Земли, Луны и  планет. Если бы закон всемирного тяготения  был иным и сила гравитационного  притяжения уменьшалась быстрее, чем  по закону Ньютона, то орбиты планет были бы не эллипсами, а спиралями, сходящимися  к Солнцу. Если же гравитационное притяжение убывало бы с расстоянием медленнее, то притяжение удаленных звезд оказалось  бы сильнее притяжения Земли. 

     А, еще, вселенная оказалась очень шумным местом В ходе эксперимента ARCADE специалистами NASA было обнаружено, что наша Вселенная наполнена радиошумом в 6 раз больше, чем считалось раньше. На данном этапе, ученые не могут объяснить причину столь высокого шума, но известно точно, что источником не является Млечный путь и древние звезды. Результаты экспериментов дадут новые ответы в изучении появления новых звезд. К сожалению, из-за столь большого уровня шума не будет возможности рассматривать дальние звезды, т.к. они являются и самыми тихими. 

     Большинство объектов во Вселенной излучают на радио частоте. К таким объектам относят, к примеру, пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звезды. Сильное магнитное поле вокруг звезд создает четко направленные потоки излучения. Данные потоки с определенной периодичностью направлены на наблюдателя и со стороны кажется, что они пульсируют. В 2006 году был запущен воздушный шар с оборудованием на высоту 40 километров над Землей и в ходе эксперимента ARCADE проводился сбор данных радиодиапазона во Вселенной. На рассмотрение всей полученной информации учёным понадобилось больше 2 лет.

     6.  Рождение и развитие  вселенной. 

     Астрономы полагают, что время, пространство и  материя возникли как результат  одномоментного события: взрыва чего-то горячего и очень плотного, так  называемого Большого взрыва, который  произошёл от 10 до 20 млрд. лет назад.

     В первые миллионные доли секунды - а  расширение Вселенной происходило  с неимоверной быстротой - произошли  многие важнейшие процессы. Именно начальный момент возникновения  вещества вызывает огромный интерес  у представителей разных наук. Эксперементы, направленные на изучение связанных  с этим явлений, проводят учёные занимающиеся физикой элементарных частиц. Атомы - это кирпичики, из которых строятся все разновидности материальных объектов, от песчинок до людей, от планет до звёзд. Хотя атомы очень малы, они состоят из частиц ещё меньших, которые появились во время Большого взрыва и по прошествии миллиардов лет образовали галактики. Энергия  взрыва была столь огромной, что  галактики и скопления галактик всё ещё продолжают удаляться  друг от друга.

     Наша  Вселенная родилась очень горячей и сразу начала расширяться и остывать. Высокая плотность и температура делают невозможным существование сколько-нибудь сложных образований. Поэтому в очень молодой Вселенной нет не только привычных нам атомов, не только их ядер, но даже самое простое ядро, водородное, то есть одиночный протон, не может долго существовать. Вещество Вселенной являет собой кипящий «суп» из элементарных частиц и квантов излучения, которые непрерывно превращаются друг в друга согласно знаменитой формуле теории относительности E = mc2. 

     Чтобы протон мог чувствовать себя «спокойно», Вселенной надо остыть до температуры, когда энергия частиц становится меньше массы протона. Только с этого  момента имеет смысл говорить о «химическом составе», и поначалу он более чем прост: это чистый водород. Помимо протонов в плотном  веществе присутствуют также электроны  и нейтроны, содержание определяется условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются  нейтроны, которые потом самопроизвольно  распадаются на протоны и электроны, столкновение нейтрона и позитрона (античастица электрона) дает протон. Также в этих реакциях испускаются  нейтрино.

     Затем в истории Вселенной наступает  эпизод, в котором условия напоминают нынешнее состояние вещества в недрах звезд и водород может превращаться в более тяжелые элементы. Начинается первичный нуклеосинтез — образование  тяжелых элементов из более легких. Но длится это недолго — всего  несколько минут. Плотность и  температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия.

     Все начинается с самой простой реакции: протон объединяется с нейтроном, образуя  ядро дейтерия — тяжелого водорода. Получив дейтерий, природа продолжает «играть в конструктор», пока это  позволяют плотность и температура и так далее.

     После долгих «темных веков» во Вселенной  зажигаются первые звезды. В их недрах при температуре около 10 миллионов  градусов и плотности в несколько  раз выше, чем у самого плотного металла на Земле, снова возникают  условия для игры в алхимический конструктор — начинается звездный нуклеосинтез. Первое время эта игра весьма похожа на ту партию, что разыгрывалась  сразу после рождения Вселенной. 

     И вот наконец по прошествии миллиардов лет в гигантской реторте Вселенной  сложились условия для того, чтобы  смог появиться гомункулус. Жизнь, какой  мы ее знаем, не могла бы возникнуть в течение первого миллиарда  лет после Большого взрыва — тогда просто не было в достаточном количестве многих необходимых элементов. 

     Каждая  частичка нашего тела прошла через  космическое горнило. Часть атомов водорода могла остаться неизменной со времени «первых трех минут», но основная доля составляющих его  элементов появилась в звездах  на стадии устойчивого термоядерного  горения. Многие ядра возникли во время  вспышек сверхновых. Другие — были выброшены звездами в виде кружева  планетарных туманностей. Возможно, крохотная доля ядер связана со столкновениями космических лучей с веществом  межзвездного газа, когда идут интереснейшие  «реакции скалывания», в которых  быстрая частица выбивает ядра легких элементов. Для появления человека понадобилась целая «лаборатория»  космического алхимика.

     Состав  вещества во Вселенной продолжает медленно изменяться и в наши дни: усилиями триллионов звезд доля элементов  тяжелее гелия постепенно растет. Наблюдения показывают, что у звезд  с большей «металличностью», то есть содержанием элементов тяжелее  гелия, выше вероятность возникновения  планетных систем. А значит, химическая эволюция Вселенной пока благоприятствует появлению разумных существ, сделанных  из «звездного вещества». И все же стоит помнить, что подобной переработке  подвергается лишь малая часть материи  во Вселенной. В целом же водород  так и останется самым распространенным ее элементом, просто потому, что далеко не все вещество сможет попасть в  звезды (например, у межгалактического  газа нет такой перспективы). Если же вспомнить, что и это вещество составляет от силы пять процентов  на фоне колоссальной массы темной материи и темной энергии, то вы почувствуете, насколько же невероятно повезло  в этом тому комочку вещества, который  смог оглянуться по сторонам и оценить  величие окружающего мироздания.

     Заключение 

     За  последние годы астрономы сделали  в невообразимых глубинах космоса  немало открытий, которые поразили не только широкую публику, по и их самих. 
Такие выражения, как «квазары» (quasi-stellar objects, т е. звездоподобные объекты) или ГЗО (голубые звездоподобные объекты), выносятся в заголовки газетных статей. Светящиеся точки, расположенные в миллиардах миллиардов километров от нас, наводят ученых на размышления о далеком прошлом и далеком будущем Вселенной.

     Бесконечна  ли Вселенная или у нее где-то есть конец? Быть может, она то расширяется, то сжимается, подобно аккордеону, причем каждое такое движение длится миллиарды  лет? Или она взорвалась когда-то один-единственный раз и ее осколки  будут разлетаться все дальше и дальше друг от друга, пока наш  осколок не останется совершенно одиноким в своей вселенной? Или  же Вселенная непрерывно обновляет  сама себя, оставаясь извечной, нерожденной  и бессмертной?

     Нашему  поколению повезло — мы живем  в тот период развития астрономии, когда ответы на все эти и на многие другие столь же волнующие  вопросы, кажется, вот-вот будут найдены.

     Такое положение возникло совершенно внезапно. Небесные тела и астрономические  явления, открывающие перед астрономами  небывалые перспективы, до 60-х годов  нашего века были еще неизвестны. Ракеты и искусственные спутники, благодаря  которым астрономы получают теперь столько новых сведений, взвились в небо только в 50-х годах. Радиотелескопы, обнаружившие самые неожиданные  чудеса, появились лишь в 40-х годах. 
Собственно говоря, если бы мы вернулись на какие-нибудь 2500 лет назад, примерно в 600 г. до н. э., то обнаружили бы, что вся известная человеку Вселенная сводится к клочку плоской Земли — и притом к весьма небольшому клочку.

     И в наши дни непосредственному  восприятию человека доступно только то же самое — маленький клочок плоской Земли и, разумеется, небосвод над головой с маленькими светящимися точками и кружками. И небосвод этот кажется совсем близким.

     Какой же ход логических рассуждений заставил эти видимые нами тесные пределы  раздвигаться все больше, и больше, и больше, теряясь в неизмеримой  дали, так что теперь человеческий разум не в силах ни объять Вселенную, о которой мы говорим, ни представить, насколько ничтожно по сравнению  с ней все то, что нас окружает? 
 

     Литература 

1. А. Эйнштейн. Собрание научных трудов. Том4 -М.:Наука, 1967 - 600с.=
2. Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр. Пер. с англ. Н. Я. Смородинской. — СПб.: «Амфора», 2001. — 268 с
3. http://ru.wikipedia.org
4. Журнал "Вокруг Света", апрель 2008 «Вселенская алхимия».
5. http://www.universe2003.narod.ru/ 
6. А. Азимов  Вселенная. От плоской Земли до квазаров ; Перевод с англ. П. С. Гурова. - М. : Мир, 1969. - 352 с.,