Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский государственный технический университет»

 

 

 

 

                            Реферат

 

на тему:

Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение
2. Модель большого Взрыва
3. Расширяющаяся Вселенная
4. Рождение и гибель Вселенной
5. Заключение
6. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

    Одной из основных концепций современного естествознания является  учение

о  Вселенной  как  едином  целом  и  обо  всей  охваченной  астрономическими

наблюдениями  области  Вселенной  (Метагалактике)   как   части   целого   -

космология.

 

    Выводы  космологии  основываются  и  на  законах  физики,  и  на  данных

наблюдательной астрономии. Как любая наука,  космология  в  своей  структуре

кроме  эмпирического  и   теоретического   уровней   имеет   также   уровень

философских предпосылок, философских оснований.

 

    Так, в основании современной космологии лежит предположение о  том,  что

законы природы, установленные на основе изучения весьма  ограниченной  части

Вселенной, чаще  всего  на  основе  опытов  на  планете  Земля,  могут  быть

экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете -  на  всю

Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в  пространстве

и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

 

 

2. Модель Большого Взрыва

 

    Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она  возникла  в

   бесконечно плотном  состоянии  и  с  тех  пор  расширяется.  Это  событие

   произошло от 13 до 20  миллиардов  лет  назад  и  известно  как  "Большой

   Взрыв". Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она  объясняет

   оба наиболее значительных факта  космологии:  расширяющуюся  Вселенную  и

   существование  космического  фонового  излучения.  Можно  воспользоваться

   известными законами  физики  и  просчитать  в  обратном  направлении  все

   состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43  секунд  после

   Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет  вещество  и  энергия  во

   Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда  называемую  первичным

   огненным шаром. К концу  этого  периода  расширение  Вселенной  заставило

   температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны  и  электроны  смогли

   объединяться, образуя атомы водорода.  На  этой  стадии  Вселенная  стала

   прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше  плотности

   излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло  скорость

   расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось

   от сильно  охлажденного  излучения  ранней  Вселенной.  Первые  галактики

   начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия  только  через

   один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв"  может  применяться  к

   любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом  была  горячей  и

   плотной.

          Как-то один известный ученый ( Бертран  Рассел)  читал  публичную

лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а

Солнце, в свою очередь, вращается 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.

 

          Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей  книге

"О небе" привел два веских довода в пользу  того,  что  Земля  не  плоская

тарелка, а  круглый  шар.  Во-первых,  Аристотель  догадался,  что  лунные

затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и  Солнцем.

Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том

случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским  диском,  ее  тень

имела бы форму вытянутого эллипса,  если  только  затмение  не  происходит

всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска. Во-

вторых, по опыту своих  путешествий  греки  знали,  что  в  южных  районах

Полярная звезда на небе располагается ниже,  чем  в  северных.  (Поскольку

Полярная звезда находится  над  Северным  полюсом,  она  будет  прямо  над

головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку  на  экваторе

покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении

Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел  даже  вычислить,  что

длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно  неизвестно,

но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно  в  2

раза больше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод  в

пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то  почему  же  мы

сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом

сам корабль?

 

          Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и

звезды вращаются 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.

 

          Модель  Птолемея  позволяла   неплохо   предсказывать   положение

небесных тел на  небосводе,  но  для  точного  предсказания  ему  пришлось

принять, что траектория Луны в одних местах подходит  к  Земле  в  2  раза

ближе, чем в других! Это означает,  что  в  одном  положении  Луна  должна

казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке,

но тем не менее его теория была признана, хотя и  не  везде.  Христианская

Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую  Библии,

ибо эта модель была очень хороша тем, что  оставляла  за  пределами  сферы

неподвижных звезд много места для ада и рая. Однако  в  1514  г.  польский

священник Николай Коперник предложил еще более простую  модель.  (Вначале,

опасаясь, наверное, того,  что  Церковь  объявит  его  еретиком,  Коперник

пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнце

стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него

по круговым орбитам. Прошло почти  столетие,  прежде  чем  идею  Коперника

восприняли серьезно. Два астронома  -  немец  Иоганн  Кеплер  и  итальянец

Галилео  Галилей  -  публично  выступили  в  поддержку  теории  Коперника,

несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем  совпадали  с

наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в  1609  г.,  когда

Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно  которому  всякое  тело  во

Вселенной притягивается к любому другому телу с  тем  большей  силой,  чем

больше массы этих тел и чем меньше расстояние между  ними.  Это  та  самая

сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона

вдохновило яблоко, упавшее ему на голову,  почти  наверняка  недостоверен.

Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда  он

сидел в "созерцательном настроении", и  "поводом  было  падение  яблока").

Далее Ньютон  показал,  что,  согласно  его  закону,  Луна  под  действием

гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а  Земля

и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.

 

          Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер,

а  заодно  и  от  представления  о  том,  что  Вселенная  имеет   какую-то

естественную границу. Поскольку "неподвижные звезды"  не  изменяют  своего

положения на небе, если не считать их  кругового  движения,  связанного  с

вращением Земли вокруг  своей  оси,  естественно  было  предположить,  что

неподвижные звезды - это объекты, подобные нашему Солнцу,  только  гораздо

более удаленные.

 

 

          Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала  XX

в.: никому и в голову не  пришло,  что  Вселенная  может  расширяться  или

сжиматься.  Все считали,  что  Вселенная  либо  существовала   всегда   в

неизменном состоянии, либо была сотворена  в  какой-то  момент  времени  в

прошлом примерно такой,  какова  она  сейчас.  Отчасти  это,  может  быть,

объясняется склонностью людей верить  в  вечные  истины,  а  также  особой

притягательностью той мысли, что,  пусть  сами  они  состарятся  и  умрут,

Вселенная останется вечной и неизменной.

 

          Даже  тем  ученым,  которые  поняли,  что   ньютоновская   теория

тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в  голову

гипотеза расширяющейся Вселенной. Они  попытались  модифицировать  теорию,

сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это

практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато  позволяло

бесконечному  распределению  звезд  оставаться  в  равновесии,   так   как

притяжение близких звезд компенсировалось  отталкиванием  от  далеких.  Но

сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом

деле,  если  в  какой-то  области  звезды  чуть-чуть  сблизятся,  то  силы

притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так  что

звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами  чуть-

чуть  увеличится,  то  перевесят  силы  отталкивания  и  расстояние  будет

нарастать.

 

          Еще  одно  возражение  против  модели   бесконечной   статической

Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который

в 1823 г. опубликовал работу,  посвященную  этой  модели.  На  самом  деле

многие современники Ньютона занимались той же задачей,  и  статья  Олберса

была даже  не  первой  среди  работ,  в  которых  высказывались  серьезные

возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение  таково:  в

бесконечной статической Вселенной любой  луч  зрения  должен  упираться  в

какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко  светиться,  как

Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет,  идущий  к  нам  от

далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в  находящемся  на  его

пути веществе.

 

          Но в таком случае само  это  вещество  должно  нагреться  и  ярко

светиться, как звезды. Единственная возможность избежать  вывода  о  ярко,

как Солнце, светящемся ночном небе - предположить,  что  звезды  сияли  не

всегда, а загорелись в какой-то определенный  момент  времени  в  прошлом.