Методы и приборы для изучения вселенной

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОУ ВПО  «Алтайский государственный университет»

Факультет журналистики. Кафедра неорганической химии 
 

МЕТОДЫ  И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

(реферат) 
 

Выполнила студентка

III курса группы 1581-з ЗО

Ващенко Алина Евгеньевна

_________________________

Проверил:

заведующий  кафедрой неорганической химии, профессор, доктор химических наук Новоженов В. А..

_________________________

Оценка __________________

«____»  __________________ 
 
 
 

Барнаул-2011

ВВЕДЕНИЕ

"...откуда  взялась Вселенная? как и почему  она возникла? придет ли ей  конец, а если придет, то как?  Эти вопросы интересуют всех нас..." (Стивен Хокинг." Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр", Санкт-Петербург, 2001)

Астрономия является одной из древнейших наук. Первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н.э. Однако известно, что еще за 3 тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы Нила, регулировавшие экономическую жизнь страны, наступали вскоре после того, как перед восходом Солнца на востоке появлялась самая яркая из звезд, Сириус, скрывавшаяся до этого около двух месяцев в лучах Солнца. Из этих наблюдений египетские жрецы довольно точно определили продолжительность тропического года.

В Древнем  Китае за 2 тысячи лет до н.э. видимые  движения Солнца и Луны были настолько  хорошо изучены, что китайские астрономы  могли предсказывать наступление  солнечных и лунных затмений. Астрономия, как и все другие науки, возникла из практических потребностей человека.

Дальнейшее  развитие человеческого общества вызвало  потребность в измерении времени  и в летосчислении (составлении  календарей).

Все это  могли дать и давали наблюдения над  движением небесных светил, которые  велись в начале без всяких инструментов, были не очень точными, но вполне удовлетворяли  практические нужды того времени. Из таких наблюдений и возникла паука  о небесных телах – астрономия.

С развитием  человеческого общества перед астрономией  выдвигались все новые и новые  задачи, для решения которых нужны  были более совершенные способы  наблюдений и более точные методы расчетов. Постепенно стали создаваться  простейшие астрономические инструменты  и разрабатываться математические методы обработки наблюдений.

1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

В древние  времена представления об окружающем нас мире формировались исключительно  на основании наблюдаемой реальности и интуитивных ощущений. Великие мыслители прошлого создали классические труды по философии, этике, логике, математике физике, в том числе о происхождении и строении Вселенной как они ее себе представляли.

Первоначально небеса изображались весьма похожими на земной мир. Повседневные наблюдения говорили также, что земля неподвижна и, кроме земного мира, не может  быть ничего сущего. Изо дня в  день, из года в год человек убеждался  на опыте, что Солнце, Луна, планеты  и звезды движутся по небу, восходят на востоке и заходят на западе.

Историки  древнего мира говорят, что уровень, достигнутый древней астрономией, был очень высок. Это верно. Но нельзя забывать, что астрономия была в ту пору чисто описательной наукой, бессильной что-либо противопоставить религиозным пред ставлениям об устройстве мира

Поэтому размышления древних о природе  небес строились главным образом  на домыслах, обрастали фантастическими, часто религиозными образами. Древнегреческий  математик Пифагор (VI в. до н. э.), много  путешествовавший, первым высказал мысль  о шарообразности Земли. Философ  Аристотель (IV в. до н. э.) доказывал, что  Земля – шар, ибо в южных странах на небе появляются новые созвездия, невидимые в северных, а чем дальше мы двигаемся к северу, тем все больше появляется на небосводе незаходящих звезд.

Постепенно  идея о том, что Земля – шар, висящий в пространстве и ни на что не опирающийся, все шире распространялась среди античных мыслителей. Еще в древнегреческой философии возникло течение, резко противопоставлявшее небесное и земное. В то время как великий материалист древности Демокрит (V – IV в. до н. э.) развенчивал веру в богов и отрицал божественность небесных светил, Платон (V – IV в. до н. э.) философ-идеалист, говорил, что астрономия изучает на небе идеальный мир, соответствующий достоинствам обитающих там богов. Все небесное, по учению Платона, вечно и неизменно. Это представление поддерживал и ученик Платона Аристотель. Он считал, что земной мир состоит из четырех элементов – огня, воздуха, воды и земли. Представления Платона и Аристотеля оказали сильное влияние на картину мира, созданную греческим астрономом Птолемеем во II веке до нашей эры.

В IV в. до н. э. величайший древнегреческий философ  Аристотель (384—322 гг. до н. э.), систематизировал и объединил, накопленные на протяжении веков, знания и создал универсальную  картину мира, в которой впервые  была высказана идея взаимосвязи  свойств материи, пространства и  времени.

Принципы , которыми руководствовался Аристотель:

".. в  науке о природе надо попытаться  определить прежде всего то, что  относится к началам".

"...природа  всегда осуществляет наилучшую  из всех возможностей" и "...природе  свойственно сходное поведение  во всех случаях".

Источником  всякого движения Аристотель считал "перводвигатель" мира- неподвижное, но движущее начало.

В космологии Аристотеля планетные сферы имеют  реальное физическое существование: Вселенная  состоит из ряда концентрических  сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней  сферой неподвижных звёзд. Земля  как наиболее тяжёлый элемент  занимает центральное место, над  ней последовательно располагаются  оболочки воды, воздуха и огня. Область между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звёзд, есть область вечноравномерных движений, а сами звёзды состоят из пятого совершеннейшего элемента – эфира. Такое определение Вселенной подтверждали наблюдения и оно не вызывало сомнений, поскольку "видно было невооруженным глазом".

Только  в 15 веке на смену геоцентрической  теории, представленной в трудах Аристотеля,а  позднее в трудах александрийского астронома Птоломея, пришла гелиоцентрическая  теория строения Вселенной. Эту новую, революционную в его время, теорию создал гениальный польский астроном Николай Коперник (1473—1543, «О вращениях небесных сфер. Шесть книг»).

Гелиоцентрическая система Вселенной Коперника  также включала всю существующую материю, однако в ее центре он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты  и среди них Земля со своим  спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находилась сфера с неподвижными звездами.

Коперник, так же представлял Вселенную  конечным пространством, а движения небесных тел равномерными и круговыми. Одно из достоинств космологической  концепции Коперника – это  логическая простота планетной теории, которая быстро получила всеобщее признание.

Иоганн  Кеплер (1571 – 1630), немецкий математик и астроном, используя огромный материал астрономических наблюдений датского астронома Тихо Браге (1546–1601), открыл законы движения планет, в соответствии с которыми:

Все орбиты планет — эллипсы, общим фокусом  орбит является Солнце (первый закон). Второй закон установил, как меняется скорость планеты при удалении или  приближении к Солнцу – в первом случае они движутся медленнее. Третий закон позволяет рассчитать эту скорость и период обращения вокруг Солнца. Таким образом была окончательно подтверждена гелиоцентрическая система Коперника.

Законы  планетной кинематики, открытые Кеплером, послужили позже Ньютону основой  для создания теории тяготения. Ньютон математически доказал, что все  законы Кеплера являются следствиями  закона тяготения.

В 1584 году Джордано Бруно (1548-1600)- представил миру новую концепцию Вселенной, которую  изложил в двух книгах: «О причине, начале и едином» и «О бесконечности, вселенной и мирах». Эта концепция существенно меняла астрономическую картину мира. Она содержала идею множественности миров, отрицала существование какого бы то ни было центра Вселенной, утверждала ее бесконечность во времени и пространстве. Все пространство Вселенной, "единое и безмерное, Бруно представлял заполненной космическим веществом (эфиром), в котором, взаимодействуя с ним, движутся "бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли", а в основе всех вещей, всех элементов, из которых состоит Земля и все другие небесные тела, лежит вечная – неисчезающая и неизменная первичная материальная субстанция.

Классическая  физика нового времени была подготовлена научными открытиями великого итальянского физика, астронома и философа Галилео  Галилея (1564-1642). Сформулировав принцип  относительности движения, закон  свободного падения тел, механику их падения по наклонной плоскости, идею инерции – Галлилей заложил основы классической динамики. В июле 1609 Галилей построил свою первую подзорную трубу – оптическую систему, состоящую из выпуклой и вогнутой линз, – и начал систематические астрономические наблюдения. Астрономические открытия Галилея сыграли огромную роль в развитии научного мировоззрения и способствовали победе и утверждению гелиоцентрической системы мира.

Первую  универсальную физико-космологическую  и космогоническую картину мира на основе гелиоцентризма пытался построить  великий французский ученый и  философ, физик, математик, физиолог Рене Декарт (в латинизированной транскрипции — Картезиус, 1596—1650). В книге "Мир или трактат о свете» Декарт предложил механическую теорию распространения света путем мгновенной передачи давления от одной частицы материи к другой.

По Декарту, вся Вселенная пронизана вихревыми  движениями, которые происходили  в однородной мировой материи  — эфире, и в результате которых  бразовались все небесные тела. Движение во Вселенной вечно, так же как  и сама материя, и все явления  в мире сводятся к движениям частиц материи. В физике Рене Декарта нет места силам действующим на расстоянии через пустоту. Все явления мира сводятся к движениям и взаимодействию соприкасающихся частиц. Такое физическое воззрение получило в истории науки название картезианского, от латинского произношения имени Декарта—Картезий.

Декарт  внес новую идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих  вокруг планет, частицы давят друг на друга и тем вызывают явление  тяжести, в том числе на Земле. Таким образом Декарт рассматривал тяжесть как свойство присущее не телам, а окружающему тело пространству Вселенной.

Три основных закона механики и закон всемирного тяготения, которые сфомулировал великий  английский ученый, физик и математик  Иссак Ньютон (1643-1727) в книге "Математические принципы натуральной философии " (1687г., Лондон), определили новую гравитационную физическую картину мира, на основе которой формировались все более  сложные и совершенные модели Вселенной.

"Общая  картина мира, нарисованная в  трудах Ньютона, представлялась  ясной и очевидной: в бесконечном  абсолютном неизменном пространстве  с течением времени происходит  движение миров. Движение их  может быть весьма сложным,  процессы на небесных телах  весьма многообразны, но это никак  не влияет на бесконечную сцену  – пространство, в котором развертывается  в неизменном времени драма  бытия Вселенной. С такой точки  зрения для материалиста абсолютно  ясно, что у времени (как и  у пространства) не может быть  границ; не может быть истоков  реки времени. Ибо это означало  бы нарушение принципа неизменности  времени. Означало бы возникновение  – «создание» движения материального  мира Вселенной. 

На протяжении более двух веков, законы Ньютона  применяются на практике и благодаря  им стали возможны огромные достижения в физике, астрономии и космологии. Вплоть до середины 19 века в научном мире допускалась возможность мгновенного воздействия одного тела на другое без промежуточной среды. При этом Ньютон понимал, что такая среда–эфир должна существовать.

В 1692 году, в одном из писем своему другу  Ричарду Бентли (1668- 1742 , английский ученый- в это время глава Тринити-колледжа в Кембридже) Ньютон писал: "То что, тяготение должно быть внутренне  присущим, неотъемлемым образом необходимым  для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой  нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием  дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно  действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям".

Только  в конце 19 века получила запоздалое признание гипотеза, выдвинутая голландским  физиком Гюйгенсом о распространении  света волнами в некой среде(эфире.

В истории  развития космологии важное место занимает знаменитая гипотеза Лапласа(ЛАПЛАС, ПЬЕР СИМОН ,1749–1827, французский математик, физик и астроном) о формировании Солнечной системы (небулярная гипотеза), которую он сформулировал в книге "Изложение системы мира"(1796). Лаплас предположил, что Солнечная система рождена из горячей газовой туманности, окружавшей молодое Солнце. Постепенно туманность остыла и под действием тяготения начала сжиматься. С уменьшением её размеров она вращалась всё быстрее. Из-за быстрого вращения центробежные силы стали сравнимыми с силой тяготения, и туманность сплющилась, превратилась в околосолнечный диск, который начал разбиваться на кольца. Чем ближе к Солнцу было кольцо, тем быстрее оно вращалось. Вещество каждого кольца постепенно остыло. Так как вещество в кольце не было распределено однородно, отдельные его сгустки благодаря тяготению начали сжиматься и собираться вместе. В конце концов кольцо из сгустков превратилось в протопланету. Каждая протопланета вращалась вокруг оси и в результате этого могли образоваться её спутники.

Физические  эффекты «остывания»  и «гравитационного сжатия», которыми пользовался  Лаплас, являются главными и в современных  моделях образования  Солнечной системы.

Большое влияние на дальнейшее развитие всей физики оказали идеи английского  ученого Фарадея (1791-1867) об электрическом  и магнитном полях и о волновом процессе распространения электромагнитных взаимодействий. Ему принадлежат  открытие магнитной индукции, законов  электролиза и прохождения тока в различных электрических цепях. Он указал на чрезвычайно важную роль в явлениях электричества и магнетизма промежуточной среды, которая заполняет  пространство между телами, как будто  бы действующими друг на друга непосредственно. Фарадей ввел в физику новое понятие -концепцию поля, описываемого им с  помощью силовых линий. Он был  убежден, что окружающее магнит пространство(среда)- "... играет столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной  системы".

Джеймс  Максвелл (1831-1879) математически развил идею Фарадея о роли промежуточной  среды в электрических и магнитных  взаимодействиях и попытался (вслед  за Фарадеем) истолковать эту среду  как всепроникающий мировой эфир. Электромагнитную теорию Максвелл развивает  в работах «О физических линиях силы» (1861—1862) и "Динамическая теория поля" (1864—1865).

Максвелл  сформулировал математические законы единого электромагнитного поля -взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей.

Уравнения Максвелла связывают величины характеризующие  электромагнитное поле с его источниками, то есть с распределением в пространстве электрических зарядов и токов. Анализ этих уравнений позволил Максвеллу  предсказать многие неизвестные  до того явления и закономерности. Из них следовало, что электромагнитные колебания от источника распространяются в некой гипотетической упругой  среде в виде поперечных электромагнитных волн, скорость распространения которых в вакууме равна скорости света. Это подтверждало электромагнитную природу света.

Таким образом, для распространения электромагнитных волн требовалась среда, то-есть эфир, поиски которого продолжались.

В 1881 году американские ученые Майкельсон и Морли  в течение длительного времени  пытались обнаружить какие-либо явления, подтверждающие существование эфира, однако безуспешно.

Кроме того, оказалось, что скорость света  представляет собой постоянную и  максимальную величину, увеличить которую  невозможно.

В 1888году максвелловская теория электромагнитных волн получила подтверждение в опытах Г.Герца (1857-1894)-немецкого физика и  инженера.

Герц  получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, придал удобную форму его уравнениям и дополнил теорию Максвелла теорией  электромагнитного излучения. Полученные им результаты,стали основой развития беспроводной телеграфной и телефонной связи.

В начале XX в. был сделан целый ряд открытий, в корне изменивших видение мира современным естествознанием. Теория относительности А. Эйнштейна, опыты  Резерфорда с альфа-частицами, работы Нильса Бора, исследования в химии, биологии, психологии и других науках показали. что мир гораздо разнообразнее, сложнее, чем это представлялось механистической науке, и что  сознание человека изначально включено в само наше восприятие действительности.

Согласно  теории относительности пространство не трехмерно, а время не линейно. И то, и другое не являются отдельными самостоятельными сущностями. Они тесно  переплетены и образуют пространственно-временной  континуум. Поток времени не является равномерным и однородным, он зависит  от позиции наблюдателя и его  скорости относительно наблюдаемого события. Кроме того, в общей теории относительности речь идет о том, что пространство и время находятся в тесной связи с массой тел: возле гигантских космических тел пространство способно искривляться, а время – замедляться.

В 1901 году русский физик П.Н.Лебедев экспериментально подтвердил, предсказанное в теории Макссвелла, давление электромагнитных волн на твердое тело.

Проблемы, с которыми столкнулся научный мир  на рубеже 19 – 20 веков, подрбно анализируются  в книге А.Эйнштейна и Л.Инфельда – «Эволюция физики». Они пришли к следующим выводам:

"Если  мы хотим объяснить оптические  явления механистически, то следует  предположить, что эфир существует  повсюду. Если свет передается  только в среде, то не может  быть никакого пустого пространства..... В оптике мы должны отдать  предпочтение волновой теории  света перед корпускулярной….  Мы знаем, что все вещество  состоит лишь из частиц немногих  видов. Как различные формы  вещества построены из этих  элементарных частиц? Как эти  элементарные частицы взаимодействуют  с полем? Поиски ответа на  эти вопросы привели к новым  идеям в физике, идеям квантовой  теории... Если бы мы должны  были характеризовать основные  идеи квантовой теории в одном  предложении, мы могли бы сказать:  следует предположить, что некоторые  физические величины, до тех пор  считавшиеся непрерывными, состоят  из элементарных квантов".

В 1905 году для объяснения явлений фотоэффекта  АльбертЭйнштейн, использовав квантовую  гипотезу Планка, предположил, что свет также состоит из квантов, которые  впоследствии назвали фотонами.

В том  же 1905 г. в своей фундаментальной  физической теории, получившей наименование Специальной теории относительности, он отказался от идеи мирового эфира  и сформулировал новые законы механики, когда скорость движения частиц (тел) приближается к скорости света. Специальная, теория относительности  основывается на двух фундаментальных  положениях:

физические  законы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и  равномерно друг относительно друга; скорость света всегда имеет одно и то же значение и не зависит от скорости движения наблюдателя или источника. света.

В 1916 г. Эйнштейн завершил создание своей Общей  теории относительности, в которой  устанавливает связь между тяготением и неразрывным понятием – «пространство — время». Материальным носителем тяготения оказалось само пространство (точнее, пространство-время), а «всемирное тяготение» объясняется как результат движения тел в искривленном вблизи другого тела пространстве.

и чем  больше её масса , тем искривление  сильнее.

В 1922 советский  математик и геофизик А. А. Фридман  нашёл нестационарные решения гравитационного  уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной. Модель Фридмана описывает однородную изотропную Вселенную  с веществом, обладающей положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной.

Независимо  от него описываемую модель позднее  разрабатывали Леметр (1927), Робертсон  и Уокер (1935).

В этой модели наблюдаемая нами сейчас часть  Вселенной возникла около 13 млрд лет  назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и  плотностью около 1093 г/см3 (Планковская  плотность).

В результате Большого взрыва, Вселенная расширялась, заполняя пространство очень плотным  веществом, из которого через миллиарды  лет образовались наблюдаемые тела -звезды и планеты.

В 1946 году американский физик Г.А.Гамов дополнил теорию Фридмана предположением, что  первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной, после Большого взрыва, обладали высокой плотностью и температурой. После образования ядер лёгких элементов (примерно через 100 секунд после Большого взрыва) вещество ещё длительное время (около 1 млн. лет) представляло собой плазму, в термодинамическом равновесии с которой находилось излучение. В 1965 году американские ученые А. Пензиас и Р.Вилсон подтвердили теорию Гамова.

Согласно  теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция Вселенной зависит от средней  плотности вещества в современной  Вселенной.

В 1981 Алан Гут и Андрей Линде предложили Инфляцио́нную моде́ль Вселе́нной — гипотезу о физическом состоянии  и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при  температуре выше 1028 K). В ней предполагается период ускоренного расширения, по сравнению со стандартной моделью  горячей однородной и изотропной Вселенной.

30 июня 2001года на орбиту спутника  Земли был выведен космический  аппарат WMAP,который с высокой  степенью точности измерил анизотропию  реликтового излучения, возраст  Вселенной и распределение по  массам различных видов материи.  Данные WMAP показали, что Вселенная  в основном заполнена невидимым  веществом, заполняющим межгалактическое  пространство: 4 % – обычное вещество; 23 % – так называемая тёмная материя и 73 % – ещё более таинственная тёмная энергия, вызывающая ускоренное расширение Вселенной.

Возраст Вселенной по данным WMAP 13.73 ± 0.12 миллиардов лет; отношение средней плотности  к критической: 1,02 ± 0,02 .Среди других параметров, определены: постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/с/Мпк.

Сейчас  большинство ученых-физиков придерживаются мнения, что в прошлом, 13 – 15 миллиардов лет назад Вселенная с огромной скоростью вышла из непонятного  и неизвестного нам состояния  сингулярности – то-есть теории Большого взрыва . Противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако эта гипотеза не способна построить полную космологическую картину , альтернативную теории Большого Взрыва.

В настоящее  время , подтверждается мнение астрофизиков, о бесконечности Вселенной , состоящей  из множества галактик и их скоплений:

Наблюдаемая в настоящее время область  Вселенной – Метагалактика –  не превышает 10^28 см ,для прохождения  которых свету требуется около 10 млрд. лет.

В работе "Новая модель Вселенной " Петр Успенский( 1878–1947) пишет: "Сегодня  мы можем достаточно уверенно заключить: Вопрос о природе невидимого вещества-одна из самых загадочных проблем современной  физики..."