Рождение и гибель Вселенной

 

ПЛАН

 

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

 

1. Модель Большого Взрыва……………………………………………………...4

 

2. Расширяющаяся Вселенная……………………………………………………6

 

3. Рождение и гибель Вселенной……………………………………………….10

 

Заключение……………………………………………………………………….21

 

Список литературы………………………………………………………………22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Наблюдаемая нами Вселенная, по данным современной науки, возникла в результате Большого взрыва около 15-20 млрд. лет назад. Представление  о Большом Взрыве является составной  частью модели расширяющейся Вселенной.

Все вещество Вселенной в  начальном состоянии находилось в сингулярной точке: бесконечная  плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся  со временем расширение при высокой  температуре, при которой могла  существовать только смесь элементарных частиц. Затем последовал взрыв.

«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы», – писал в своей работе С. Вейнберг.

Что же было после Большого взрыва? Образовался сгусток плазмы – состояния, в котором находятся  элементарные частицы – нечто  среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться  все больше и больше под действием  взрывной волны. Через 0,01 сек. после  начала Большого Взрыва во Вселенной  появилась смесь легких ядер. Так  появились не только материя и  многие химические элементы, но и пространство и время.

Но теория Большого взрыва не может разрешить три фундаментальные  проблемы: что было до начального момента, какова природа сингулярности и  каким образом формировались  галактики.

Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление  пространства-времени: чем больше плотность  материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности  искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной.

1. 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.

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. 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. 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.). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который 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.

 

Рис. 1. Представления о  строении Вселенной в древности

 

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. 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. 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.

Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и  поэтому, не могут оставаться совсем неподвижными. 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.

Еще одно возражение против модели бесконечной статической  Вселенной обычно приписывается  немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. 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. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас.

Другое основание выдвинул Блаженный Августин в книге «Град  Божий». Он указал на то, что цивилизация  прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что  изобрел. Поэтому человечество, а  значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный  Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге  «Бытия» приблизительно 5000 год до нашей эры.

Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время – так  называемый большой взрыв, когда  Вселенная была бесконечно малой  и бесконечно плотной.

 

 

 

2. Расширяющаяся  Вселенная

 

Если в ясную безлунную  ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите  огромное количество звезд, похожих  на наше Солнце, но находящихся гораздо  дальше от нас. При вращении Земли  вокруг Солнца некоторые из этих "неподвижных" звезд чуть-чуть меняют свое положение  относительно друг друга, т. е. на самом  деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе  к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие  звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно  измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века. 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.