Современные космологические модели Вселенной

 

 

Кафедра ____________________________________________________

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине _______________________________________________________

вариант _________________

Выполнила студентка

заочной      формы обучения

Специальности____________

 

___I_____ курса _________ группы                                                 ______________________

                                                                        Подпись              ( И. О. Фамилия)

 

Оценка __________________

Рецензент работы__________

____________ кафедры  __________________                         _________________

(должность)                       (наименование)                                     ( И. О. Фамилия)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

Содержание

Введение………………………………………………………...	3
Современные космологические модели Вселенной………….	5
Сущность теории относительности…………………………...	7
Преобразования Х.А. Лоренца………………………………...	9
Заключение……………………………………………………...	13
Библиографический список……………………………………	14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теория относительности  —  термин, введённый в 1906 году Максом Планком с целью показать, как  специальная теория относительности  использует принцип относительности. В узком смысле включает в себя специальную и общую теорию относительности.

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света.

Общая теория относительности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

Мегамир — то же что макрокосмос, Метагалактика, Вселенная; мир за пределами нашей Солнечной системы, для изучения объектов астрономии и астрофизики.

Мегамир, или  космос, современная наука рассматривает  как взаимодействующую и развивающуюся  систему всех небесных тел. Мегамир  имеет системную организацию  в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем — галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высоко порядка — Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Строение и  эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели большое мировоззренческое знание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала так называемая  теория стационарного состояния  Вселенной, согласно которой Вселенная  всегда была почти такой же, как  сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить об их времени жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты порождали бы свой неизменный бег по рискованным орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая  ньютоновская космология принимала  следующие постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности  Вселенной.

Первый парадокс получил название, гравитационного. Суть его заключается в том, что  если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная  космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО)

Основное уравнение  ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сущность  теории относительности

Для описания физических явлений в мегамире широко используют специальную (частную) и общую теории относительности. Эти теории позволяют  говорить о физических процессах как о свойствах пространства-времени. Согласно общей теории относительности, которая получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна, свойства пространства времени определяются действующими в ней полями тяготения. Для общей теории относительности, именуемой также общей теорией тяготения, важен принцип  эквивалентности, в соответствии с которым локально неразличимы силы тяготения и силы инерции, возникающие при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория тяготения (общая теория относительности) описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи и на другие свойства вещества. По общей теории относительности, истинное гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени. Основной идеей теории является утверждение о том, что все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое искривлено, и, следовательно, геодезические линии не прямые. Из этого вытекает, что тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного поля и всех других полей.

В специальной  теории относительности, основы которой  были разработаны Эйнштейном в 1905 г., изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с  какой можно пренебрегать действием тяготения. Таким образом, специальная теория относительности представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, который ввел в 1907-1908 гг. понятие о том, что событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Геометрия пространства-времени Минковского позволяет наглядно интерпретировать кинематические эффекты специальной теории относительности. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный), так как они проявляют себя при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразования  Х.А. Лоренца

Как уже говорилось, в первой четверти XIX в. была создана теория электромагнитного поля, поэтому принцип относительности Г. Галилея потребовал пересмотра; можно сказать, он родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике и других областях физики. Подобно тому как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла служат количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. (Под инерциалъными понимают такие системы, в которых справедлив закон инерции: материальная точка, на которую не действуют никакие силы, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.) Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными. В 1904 г. нидерландский физик Х.А. Лоренц предложил такие преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной (частной) теории относительности, где v-скорость объекта. При v  2AB. Это как раз и говорит о замедлении течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной.

Необходимо  подчеркнуть, что отрезки длин и  промежутки времени изменяются в отношении определенных пространственных координат. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как при отлете.

Время в теории относительности необратимо. Отсюда следует широко известный парадокс близнецов: после путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он увидит, что его брат стал старше его. Приведем еще один парадокс. Представим, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Согласно теории относительности, по часам корабля этот полет продолжался бы один год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын повстречается с 26-летним отцом. Следует заметить, что физиологические процессы здесь абсолютно ни при чем. Нельзя сказать, что за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Дело в том, что в соответствии с теорией относительности не существует абсолютного времени и пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, а в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

В пользу релятивистского  замедления говорит следующий экспериментальный  факт. В космических лучах в  верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или пионами. Время жизни пионов 10-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше 300 см. Но приборы их регистрируют, т.е. они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт так: 10-8 с является естественным временем жизни пиона, измеренным по часам, движущимся вместе с пионом, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше, и за это время он в состоянии пройти земную атмосферу.

Требование  неизменности вида основных уравнений физики во всех инерциальных системах отсчета применительно к уравнениям классической механики приводит к необходимости их модификации, сводящейся к замене массы тела т0 (так называемой массы покоя) на , причем т неограниченно возрастает по мере приближения скорости объекта v к скорости света с. Поскольку масса является мерой инерции, последнее утверждение означает, что, даже непрерывно подталкивая тело (частицу), невозможно сообщить ему (ей) скорость, большую или равную скорости света с. При таких скоростях, которые называют релятивистскими, зависимость энергии E тела от его скорости v описывается не формулой классической механики Eкин = mv2/2, а релятивистской формулой, где т — масса покоя.

Из формулы  следует, что энергия тела стремится к бесконечности при скоростях, стремящихся к скоростям света, поэтому, если масса покоя не равна нулю, скорость тела всегда меньше с, хотя она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, например, в опытах на ускорителях заряженных частиц, где они движутся со скоростью, практически равной скорости света. Со скоростью света движутся частицы с нулевой массой покоя (фотоны и, возможно, нейтрино). Скорость света является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки в другую.