Космологические модели вселенной. 4

      Реферат

      по  дисциплине: «Концепции современного естествознания»

      Космологические модели вселенной 
 
 
 
 

      Екатеринбург

      2011 
 
 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………...3

1. Предмет космологии………………………………….………………………………….4
2. Исторические модели Вселенной. ……………………………………………………..6
3. Космологическая модель Эйнштейн – Фридман. …………………………………….8
4. Эффект Доплера. ……………………………………………………………………….10
5.   Модель большого взрыва……………………………………………………………..12

Заключение………………………………………………………………………………....14

Список  использованной литературы……………………………………………………...15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Современная космология - это астрофизическая теория структуры  и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Предмет космологии.

    Современная космология - это астрофизическая  теория структуры и динамики изменения  Метагалактики, включающая в себя и  определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

    Предметом космологии является изучение  строения, происхождения и эволюции Вселенной  как целого. Космологию можно называть  наукой о космосе. В наше время  космосом называют все, находящееся  за пределами атмосферы Земли, не так как было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность  хаосу – «беспорядку». Таким образом, масс и их движения. Во-первых, формулируемые  физикой универсальные законы функционирования мира считается действующими  во всей Вселенной. Во-вторых, производимые  астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются  те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип).  К настоящему времени сложились определенные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

    Выводы  космологии называются моделями происхождения  и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных  принципов современного естествознания является представление о возможности  проведения в любое время управляемого и воспроизводимого  эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно  провести бесконечное  в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

    К Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука  формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все  заключения о происхождении и  развитии Вселенной не законами, а  лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими  концепциями, но модели Вселенной в  большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Исторические  модели Вселенной

    Особое  место исследований Вселенной в  истории человечества обусловлено  помимо их практической значимости, этическими, эстетическими, религиозными соображениями. Во Вселенной как бы пересеклись  божественный  и земной порядки. Недаром с древних времен  астрономия была достоянием жрецов, хранителей тайного знания, она и по сей день, занимает центральное место в храме науки. Наибольшее количество «вечных» вопросов о происхождении мира, жизни, разума, месте человека в мироздании возникали и возникают тогда, когда он обращает взор и мысли к космической бездне. «Две вещи наполняют душу всегда новым и всё большим удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них – это звездное небо надо мной и моральный закон во мне», - писал великий Кант. А за XXIII века до него античный мудрец Анаксагор на вопрос подавленного бедами и заботами человека: «Ради чего все-таки лучше жить, чем не жить» ответил: Ради возможности наблюдать звезды. В современной астрономии названия многих планет Солнечной системы, неподвижных звезд и целых созвездий взяты из античной мифологии. Недаром все мифы одновременно космогоничны и космологичны, а самая древняя и устойчивая мечта человечества – о полетах в космос.

      В историческом аспекте первыми  моделями Вселенной были модели  Солнечной системы, в центре  которой располагалась неподвижная  Земля, неподвижная сфера со  звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх  Самосский в III в. до н. э. предложил гелеоцентричекую систему, возрожденную польским священником Н. Коперником в 1514г. Сюда же можно отнести и античную систему Птолемея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. Кстати «модернизацией» этой модели занимались и И.Кеплер(1571-1630) (вместо эллиптических орбит круговые) и Г. Галилей. Всё это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII веке. Уже в это время (а Джордано Бруно еще ранее -  XVI в.) возникли представления о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная  космологическая модель, которая, по сути, была близка статистической Вселенной Эйнштейна.

    Предполагалось, что пространство – абсолютно, однородно  и изотропно, а  время – абсолютно  и однородно. Это устраивало  теологический  подход к пониманию мира: система  мира без начала и конца,  как  в пространственном, так и  во временном понимании. Бог создал – и все! С материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии – это  и есть пространство и время в  физике. Получалось, что мир в  целом не эволюционирует. Пространство и время представлялось как жесткий  каркас (они же абсолютные!) и не участвовали  в процессах, т.е. рассматривались  как параметры. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала некоторый  дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира  выполняла как бы роль стыковочного узла  между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Космологическая модель Эйнштейна – Фридмана

      Первая современная космологическая  теория была предложена Эйнштейном  в 1917 г. В качестве следствия  его формулировки общей теории  относительности (ОТО). Эйнштейн показал, что общая теория относительности однозначно объясняет возможность существования статистической Вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы это сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель  Эйнштейна как будто подтвердило это.

    Однако  уже в 1922 г. А. Фридман показал, что  из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, то есть развитие Вселенной. Обосновывая в 1917 г. Общую теорию относительности А.  Эйнштейн ввел понятие космологического члена λ (постоянной) как раз для обоснования статичности его модели Вселенной, о чём он не без влияния А.Фридмана, в 1923 г. Писал: «Прочь космологическую постоянную!». По свидетельству Г.Гамова А.Эйнштейн считал: «введение космологической постоянной самой грубой ошибкой своей жизни».

    Космологическая постоянная была не чем иным, как  приёмом, который студент- первокурсник назвал бы «коэффициент вранья» - абсолютно субъективной  подгонкой к тому объективному решению, которое ему хочется получить. Этот «коэффициент» позволил его уравнениям дать желаемый результат.

      А. Фридман утверждал, что искривленное  пространство не должно быть  стационарным, оно должно или  расширяться, или сжиматься.  И  А.  Эйнштейн вынужден был публично  согласиться с выводами Фридмана. К сожалению, работы Фридмана, в частности его книга «Мир  как пространство и время», умалчивались  вплоть до последнего времени,  а автором теории расширяющейся  Вселенной объявили аббата Ж.  Леметра, президента папской академии наук в Ватикане. Стационораная, бесконечная в пространстве и времени Вселенная фигурировала и в философии Канта, Гегеля и Энгельса и была «узаконена» марксистко-ленинской философией. Все другие представления были объявлены ошибочными и лженаучными, в том числе и сама общая теория относительности А. Эйнштейна. Через какое-то время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. По смещению световых лучей  можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде – это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Эффект  Доплера

    Так как современная космология возникла после ОТО  её называют релятивистской. Эмпирической базой для неё послужили открытия внегалактической  астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные  линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас - то к красному. При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдается красное смещение! Из этого следует, что они от нас удаляются. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик – больше для более удаленных галактик (что само по себе удивительно, и до сих пор причина этого не выяснена).

    Американский  астроном Э. Хаббл (1889 - 1953) установил  в 1929 г. Закон:                                              

    V=Hr

    Где V- лучевая скорость, r- расстояние до объекта, H- постоянная Хаббла, равная ~ (3 -5) 10 -18 степени с -1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H  можно определить возраст Вселенной (t~1/H), , который оценивается в 40 – 20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

    В работах известного американского  физика Г.А. Гамова (1904- 1968), русского по происхождению исследуются физические  процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Особенности развития космологии нашли отражения в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере её моделей.

    Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться, в статистическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. « Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о её расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит её сжатие. Изотропность – указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть её свойства не зависят от направления. Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

    Вселенная расширяется. Так как расширение, по-видимому,  происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной  явно выделить нельзя.

    Модель  Большого взрыва

    Теория  Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

    В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась  в результате гигантского взрыва примерно  15-20 миллиардов лет назад, когда всё вещество и энергия  современной Вселенной  были сконцентрированы в одном сгустке. Плотностью свыше 10 в 25 степени г/см в кубе и температурой свыше10 в 16 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в1948 г. Г.А. Гамовым.

    Обращаясь к сгустку перед Большим Взрывом, отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем  не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело  к необычайно быстрому её расширению – Большому Взрыву. Составные части  этого сгустка теперь образуют далекие  галактика, очень быстро удаляющиеся  от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет  назад. Таким образом, расширение Вселенной  оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Открытие расширяющейся  Вселенной  и принятие научным  сообществом этого факта можно  считать огромным мировоззренческим  прорывом в интеллектуальном мире.

    Г.А. Гамов также предположил, что  все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций  в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос – Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве  водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом, теория БВ согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

    Рассмотрим  вариант образования сгустка  первовещества. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~1 атом/см. в кубе, однако имеются сильные флуктуации, а именно случайные отклонения системы от равновесия. Эти флуктуации объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

    Предмет космологии - является изучение  строения, происхождения и эволюции Вселенной  как целого. Космологию можно называть  наукой о космосе.

     Возникновение и развитие космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира.

     Считать ли Вселенную бесконечной или конечной — зависит от конкретных эмпирических исследований и, прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства — времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной— замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованных источников

    1). Горбачев В.В. Концепции Современного  Естествознания: Учебник для вузов./ В.В. Горбачев. - М.: Оникс, Мир и  Образование, 2003.

    2). Рузавин Г.И. Концепции Современного  Естествознания: Учебное пособие./ Г.И.  Рузавин. – М.: Гардарики, 2005.

    3). Горелов А.А. Концепции Современного  Естествознания: Учебное пособие./ А.А.  Горелов. – М.: Астрель, 2003.

    4). Белкин П.Н. Концепции Современного  Естествознания/ П.Н. Белкин. – М.: Высшая школа, 2004.

    5). Розен В.В. Концепции Современного  Естествознания: Учебное пособие./ В.В.  Розен. – М.: Айрис Пресс, 2004.

    6). Карпенко С.Х. Концепции Современного  Естествознания/  С.Х. Карпенко; Высшая  школа,  2-ое изд., испр. – М., 2001.

    7). Чанышев А.Н. Аристотель/ А.Н. Чанышев;  Мысль, 2-ое, доп. изд. – М., 1987.