Современное состояние космологии. Теории рождения и развития Вселенной

МИНИСТЕРСТВО  ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ  УЧИЛИЩЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

 

Кафедра ЕНД

 

 

Реферат

 

по дисциплине "Концепции Современного Естествознания"

 

Тема:

" Современное состояние космологии.

Теории  рождения и развития Вселенной."

 

 

 

 

 

                                                                                                                      Выполнила:

Курсант группы М-10-2

Емелина П. И.

                                                                                                                             

                                                                                                                                           Проверил:

Преподаватель

                                                                                                                                                             Подымов Л.И.

 

 

 

 

 

 

 

       г. Ульяновск

2011г.

Содержание

 

Вступление………………………………………………………………………3

 

1. Космологические данные…………………………………………………4

2. Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической

науки………………………………………………………………………….4

3. Теории происхождения Вселенной. Релятивистские модели………..7

 

Большой Горячий  Взрыв……………………………………………………….7

Нерешённые  проблемы космологии Большого Взрыва……………………...9

Модель «Инфляционной  Вселенной»………………………………………..10

Модель «Стационарной  Вселенной»…………………………………………11

Модель «Холодной  Вселенной»………………………………………………11

Модель «Вселенная в атоме»………………………………………………….11

Модель «Самосогласованной космологии» постнеклассической науки…...12

 

4.Космология и ее связь с физикой частиц…………………………………13

5. Выводы. Заключение ………………………………..……………….…….15

 

Список  использованных источников………………………………………..16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Вступление

 

КОСМОЛОГИЯ (от kosmos - вселенная и греч. logos - слово, учение) - раздел астрономии, в котором изучаются общие закономерности строения Вселенной. Космология включает теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Проблема развития этой, фактически наблюдаемой части Вселенной связывает космологию с космогонией (областью астрономии, изучающей происхождение и развитие космических тел и их систем: звезд и звездных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в нее тел - Солнца, планет, их спутников, астероидов, комет, метеоритов, и опирающейся на данные астрофизики, в т.ч. на прямые исследования с помощью космических аппаратов). Космология тесно связана с теоретической физикой (теорией тяготения, теорией электромагнитного поля, квантовой теорией) и захватывает коренные проблемы философии. Космология изучает распределение, взаимодействие и движение масс в мировом пространстве, его геометрические свойства и эволюционные процессы во Вселенной. 

В наивной форме  космологические представления  зародились в глубочайшей древности  в результате попыток человека осознать своё место в мироздании. Эти представления  являются характерной составной частью различных мифов и верований. Более строгим логическим требованиям удовлетворяли космологические представления античных философов школ Демокрита, Пифагора, Аристотеля (5—4 вв. до н. э.). Влияние Аристотеля на космологию сохранялось на протяжении почти двух тысячелетий. Первая математическая модель Вселенной, основанная на всей совокупности данных астрономических наблюдений, представлена в "Альмагесте" (2 в. н. э.); эта геоцентрическая система мира объясняла все известные в ту эпоху астрономические явления и господствовала около полутора тыс. лет. За это время не было сделано практически никаких астрономических открытий, но стиль мышления существенно изменился. Предложенная Н. Коперником (16 в.) гелиоцентрическая система мира, несмотря на противодействие христианского догматизма, получала всё более широкое признание, особенно после того как Г. Галилей, применив для астрономических наблюдений телескоп, впервые (1-я половина 17 в.) обнаружил факты, которые трудно было совместить с геоцентрической системой. Ещё до этого Дж. Бруно, в соответствии с учением Коперника, сделал философский вывод о бесконечности Вселенной и отсутствии в ней какого-либо центра; этот вывод оказал большое влияние на всё последующее развитие космологии. Основанная на учении Коперника революция в космологии. явилась исходным пунктом революции в астрономии и естествознании в целом. Закон всемирного тяготения (И. Ньютон, 1685), в самом названии которого подчёркнута его космологическая универсальность, дал возможность рассматривать Вселенную как систему масс, взаимодействия и движения которых управляются этим единым законом. Однако при применении ньютоновой физики к бесконечной системе масс обнаружились т. н. космологические парадоксы.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теория тяготения (А. Эйнштейн, 1916) и зарождением внегалактической астрономии (20-е гг.). На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной (кривизна пространства-времени и возможная замкнутость пространства). Начало второго этапа можно было бы датировать работами А. А. Фридмана (1922—24), в которых было показано, что искривленное пространство не может быть стационарным, что оно должно расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия закона красного смещения (Э. Хаббл, 1929). На первый план теперь выступили проблемы механики Вселенной и её "возраста" (длительности расширения). Третий этап начинается моделями "горячей" Вселенной (Г. Гамов, 2-я половина 40-х гг.). Основное внимание теперь переносится на физику Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было очень необычным. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большее значение законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика, которая заполняет существовавшую брешь между космологией и астрофизикой.

 

 

1. Космологические данные

 

Под космологическими данными понимают результаты экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять этим данным. Можно выделить 6 основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:

1. В больших  масштабах Вселенная однородна  и изотропна, т.е. галактики  и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

2. Вселенная  расширяется. Галактики удаляются  друг от друга. Это обнаружил  американский астроном Э.Хаббл в 1929. Закон Хаббла гласит: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Но это не означает, что мы находимся в центре Вселенной: в любой другой галактике наблюдатели видят то же самое. С помощью новых телескопов астрономы углубились во Вселенную значительно дальше, чем Хаббл, но его закон остался верен.

3. Пространство вокруг Земли заполнено фоновым микроволновым радиоизлучением. Открытое в 1965, оно стало, наряду с галактиками, главным объектом космологии. Его важным свойством является высокая изотропность (независимость от направления), указывающая на его связь с далекими областями Вселенной и подтверждающая их высокую однородность. Если бы это было излучение нашей Галактики, то оно отражало бы ее структуру. Но эксперименты на баллонах и спутниках доказали, что это излучение в высшей степени однородно и имеет спектр излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Очевидно, это реликтовое излучение молодой и горячей Вселенной, сильно остывшее в результате ее расширения.

4. Возраст Земли,  метеоритов и самых старых  звезд немногим меньше возраста  Вселенной, вычисленного по скорости ее расширения. В соответствии с законом Хаббла Вселенная всюду расширяется с одинаковой скоростью, которую называют постоянной Хаббла Н. По ней можно оценить возраст Вселенной как 1/Н. Современные измерения Н приводят к возрасту Вселенной около 20 млрд. лет. Исследования продуктов радиоактивного распада в метеоритах дают возраст ок. 10 млрд. лет, а самые старые звезды имеют возраст ок. 15 млрд. лет. До 1950 расстояния до галактик недооценивались, что приводило к завышенному значению Ни малому возрасту Вселенной, меньшему возраста Земли. Чтобы разрешить это противоречие, Г.Бонди, Т.Голд и Ф.Хойл в 1948 предложили стационарную космологическую модель, в которой возраст Вселенной бесконечен, а по мере ее расширения рождается новое вещество.

5. Во всей наблюдаемой Вселенной, от близких звезд до самых далеких галактик, на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия. Кажется невероятным, чтобы всюду местные условия были столь одинаковы. Сильная сторона модели Большого взрыва как раз в том, что она предсказывает везде одинаковое соотношение между гелием и водородом.

6. В областях  Вселенной, удаленных от нас  в пространстве и во времени,  больше активных галактик и  квазаров, чем рядом с нами. Это  указывает на эволюцию Вселенной  и противоречит теории стационарной Вселенной.

 

2. Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической науки 

Французский зоолог Ж. Л. Леклерк, граф Бюффон (1707—1788), принадлежит к числу  ученых XVIII в., интересовавшихся вопросами  эволюции Вселенной. Он является автором  гипотезы образования планет из вещества Солнца, выброшенного из недр Солнца за счет его вращения. Он проводил эксперименты с раскаленными и остывающими вращающимися шарами, которые позволили ему высказать мысль о том, что на образование Земли потребовалось всего лишь 75 тыс. лет.

Эволюционная идея Бюффона близка небулярной гипотезе немецкого философа И. Канта и французского математика, физика П. Лапласа. Оба исходили из предположения  об образовании структур во Вселенной (в частности, Солнечной системы, о которой в основном речь шла в гипотезе Лапласа) из космических частичек космического облака. И. Кант ввел в свою гипотезу наряду с силой тяготения еще и силу отталкивания. Работа И. Канта с изложением этой гипотезы появилась в 1754 г., работа Лапласа «Изложение системы мира» — в 1798 г. Разумеется, в то время не представлялось возможным говорить о размерах этого облака и физико-химических свойствах составляющих его частиц. Здесь было много логики, рассуждений и интуиции. В частности, Лаплас считал, что в первоначальном своем состоянии Солнце по своим размерам превышало радиус орбиты планеты Юпитер вокруг Солнца. Юпитер — самая большая планета Солнечной системы (планета-гигант). Ее поперечник в 13 раз больше поперечника Земли (радиус Земли = 6370 км). Юпитер в 300 раз массивнее Земли и в 2 раза массивнее всех планет Солнечной системы, вместе взятых. Из него можно «выкроить» 1300 шаров размером с Землю. Период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет, приблизительно 12 земных лет. Период вращения вокруг своей оси составляет приблизительно 10 часов. Среднее расстояние от Солнца равно 778,3 млн км (5,2 а. е.). Он имеет более 40 спутников.

Согласно Лапласу сжатие, размеры, вращение Солнца привели к отделению  в плоскости его экватора части  вещества в форме газового кольца, из которого образовались планеты. Фрагментация этого кольца привела к образованию планет, из которых по тому же механизму образовались и спутники отдельных планет. В гипотезе Лапласа Солнечная система представлялась замкнутой механической системой. Она столкнулась с объяснением момента количества движения Солнца и его планет. Под моментом количества движения имеется в виду, грубо говоря, распределение движения вещества системы относительно неподвижной точки на оси вращения всей системы. Оказалось, что момент количества движения планет в 20 раз больше момента количества движения Солнца. Это противоречило законам сохранения классической механики.

Лишь в середине ХХ в. советский  ученый О. Ю. Шмидт (1891—1956) предложил  новую гипотезу о Солнечной системе, в которой она представлялась открытой динамической системой, происхождение которой связано с процессом образования нашей Галактики. Тем самым вопрос о соответствии момента количества движения Солнечной системы и ее составляющих элементов потерял свою актуальность. Гипотеза И. Канта — П. Лапласа оказала большое влияние на развитие эволюционных представлений о Вселенной, поскольку содержала много прозорливых идей. В частности, в ней четко прослеживалась мысль о том, что между исходными физическими и химическими свойствами элементов туманностей и свойствами образовавшихся из них объектов должно существовать определенное соответствие.