Устройство Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микро-, макро-, мегамиры

В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за ориентир пространственно-временной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями.

Микромир:

- это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов

- пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10-16 см до 10-6 см

- микромир целиком стал областью интересов квантовой физики

- основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки)

Макромир:

- это мир, непосредственно окружающих человека, объектов

- пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10-5 см до 104 км

- основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д.

- изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания

Мегамир:

- основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная

- изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией

- пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 104 км до 1023 км

- в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба.

Единицы измерений расстояний в мегамире:

- астрономическая единица (а.е.) - расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы

- межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах:

а) световой год - расстояние, которое световой луч преодолеет за один год, равный примерно 10 триллионов километров (1013 км);

б) парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3·1013 км

Звезда

- самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце

- основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий)

В начале нынешнего века голландский астроном Э. Герцшпрунг (1873 - 1967) и американский астроном Т. Рессел (1877 - 1957) независимо друг от друга обнаружили, что существует связь между спектрами звезд и их светимостями.

Рассматривая главную последовательность, можно заметить, что, чем горячее относящиеся к ней звезды, тем большую светимость они имеют. Обособленно от главной последовательности в разных частях диаграммы сгруппированы гиганты, сверхгиганты и белые карлики.

Диаграмма «спектр - светимость» показывает, что звезды данного спектрального класса не могут иметь произвольную светимость и, наоборот, звезды с определенной светимостью не могут иметь любую температуру диаграмма «спектр - светимость» отражает важную закономерность в мире звезд, основываясь на которой астрономы исследуют эволюцию звезд.

Эволюция звезды зависит от ее массы и размеров. Обычно масса звезды сравнивается с массой Солнца (масса Солнца 21030 кг).

1. Внутри звезды происходят термоядерные реакции, радиоактивные элементы постепенно расходуются в этих реакциях. Газы, которые образуются при ядерных реакциях, раздувают оболочку звезды. Температура оболочки звезды уменьшается, и она приобретает красный цвет (Красный гигант).

По мере увеличения оболочки Красный гигант может превратиться в планетарную туманность, в центре которой находится небольшая звезда (Белый карлик) с излучением белого света.

Далее оболочка отделяется от звезды и образуется туманность.

Если туманность поглотит другую звезду или туманность и ее масса окажется равной массе Солнца, то цикл повторится.

2. Если туманность поглотит за счет притяжения другой объект и ее масса будет больше массы Солнца, то образуется Красный сверхгигант.

В результате взрыва Красного сверхгиганта возникает сверхновая звезда.

Из сверхновой звезды, в зависимости от ее массы, может образоваться либо черная дыра, либо нейтронная звезда (если масса звезды больше 2,5 МС, МС - масса Солнца).

Атрибуты планет:

- небесные тела, обращающиеся вокруг звезд

- светятся отраженным светом от звезд

- достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными

- достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Солнечная система

Солнечная система - планетная система, включающая в себя центральную звезду - Солнце - и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё.

Большая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединенных планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска - плоскости эклиптики. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.

Границей Солнечной системы считают облако Оорта ( шаровой слой кометободобных тел), расположенных на расстоянии в один световой год от Солнца.

Солнце с Солнечной системой находятся внутри галактического диска, наполненного пылью, поглощающей свет. Поэтому на небе мы видим полосу звёзд, но клочковатую, напоминающую сгустки молока. Из-за поглощения света Млечный Путь как галактика изучен не до конца: не построена кривая вращения, до конца не выяснен морфологический тип, неизвестно число спиралей и т. д. Галактика содержит около 3Ч1011 звёзд, а ее общая масса составляет около 3Ч1012 масс Солнца.

Галактики

Галактика - это система огромного количества звезд и некоторых других объектов (облаков газа и пыли, «темной материи»), связанных друг с другом силами всемирного тяготения. Количество звезд в типичной галактике - десятки и сотни миллиардов. Размеры типичной галактики - десятки тысяч световых лет. По сравнению со звездами и планетами галактики - очень рыхлые образования. Подавляющая часть объема любой галактики - это космическая пустота, плотность вещества в которой измеряется, в лучшем случае, единицами элементарных частиц на кубометр.

Галактики по форме условно разделяются на три типа:

- эллиптические галактики, обладающие формой эллипса с различной степенью сжатия

- спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви

- неправильные галактики - не обладают выраженной формой

Наша галактика - Млечный путь, ее основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звезд)

- спиральная

- диаметр около 100 тысяч световых лет

Метагалактика: часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами, которая доступна для исследования современными астрономическими методами. Она содержит несколько миллиардов галактик

Космос - плохо определяемый термин. Он обозначает или Вселенную в целом или пространство за пределами Земли.

Вселенная - все сущее, т.е. весь существующий материальный мир. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удаленных из наблюдаемых объектов - более 10 млрд. световых лет

Космология (мегамир)

Космология - раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом.

Космология - это учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого. Космология выводит свойства современной Вселенной из истории ее возникновения и эволюции. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия.

Космогония - научная дисциплина, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем.

Астрофизика (от греч. буфспн - «светило» и цэуйт - «природа») - наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких, как звезды, галактики и т. д. Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает космология.

Космология - это учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого. Космология выводит свойства современной Вселенной из истории ее возникновения и эволюции.

История развития космологических представлений отмечена тенденцией к осознанию человеком рядового, ничем не примечательного положения Земли во Вселенной. В древности Земля мыслилась как главное космическое тело, по праву занимающее положение в центре Вселенной. Это характерно и для библейского рассказа о сотворении мира; и для наиболее разработанной античной натурфилософской картины мира - аристотелевой; и даже для математизированной модели движения планет, разработанной Птолемеем.

Отдельные догадки о более скромном положении Земли среди небесных тел (Демокрит, Аристарх Самосский) популярностью и признанием не пользовались. В XV веке Коперник отодвинул Землю из центра на периферию Солнечной системы. В современной же космологии считается, что Земля - это одна из планет рядовой звезды Солнце, принадлежащей обычной галактике, занимающей ничем не примечательное место среди триллионов галактик, доступных наблюдению.

Космологические представления Аристотеля:

- Вселенная ограничена сферой на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной - земля.

- шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром.

вселенная космос звезда галактика

Геоцентрическая система Птолимея ( развитие идей Аристотеля):

В центре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей - «эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд.

Гелиоцентрическая система Коперника: в центре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний)

Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника) : Вселенная - безграничная, бесконечная, однородная, неизменная.

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества.

Космологическая модель Фридмана: основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной.

Выводы из модели Фридмана указывали на то, что материя в однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое - Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Если плотность материи меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратиться и начнется сжатие. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Возникновение современной космологии

Возникновение современной космологии связано с развитием в ХХ веке общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и физики элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности». В ней он ввёл 3 предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввел в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член». Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну.

В 1922 году А.А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Э.Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.

Метагалактика

Наблюдаемая часть Вселенной (метагалактика) представляется с Земли:

- однородной и изотропной на больших масштабах (более 200 мегапарсек)

- сильно неоднородной на меньших масштабах

Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной : он позволяет на основе анализа, пришедшего из космоса света, установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п.

Химический состав Вселенной полученный на основе спектрального анализа более чем на 99 % - водород и гелий и в незначительных количествах все остальные элементы.

Из модели однородной изотропной Вселенной, при ее расширении должно наблюдаться удаление Галактик от Земли. Однако астрономы могут наблюдать только так называемое «красное смещение».

Связь между «красным смещением» и скоростью удаления Галактик устанавливается с помощью эффекта Доплера (изменение частоты и длины волны излучения, регистрируемое приемником, в результате движение источника или движения приемника). Если источник света приближается к наблюдателю, то длина видимой им волны укорачивается, и он наблюдает так называемое фиолетовое смещение ( из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник света удаляется, то происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

В 1929 году Э.Хаббл с помощью телескопа оснащенного приборами спектрального анализа обнаружил, что свет, идущий от Галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том, что наблюдаемые Галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя. Эффект «красного смещения» был использован Хабблом для измерения расстояния до галактик и скорости их удаления.

Закон Хаббла: Скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. То есть чем дальше Галактика, тем она удаляется быстрее. Коэффициент пропорциональности в этом законе называется постоянной Хаббла.

В 1998 году появились наблюдения, которые убедительно показывают, что Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением.

Возраст Вселенной (время, прошедшее с начала космологического расширения Вселенной из очень плотного и горячего состояния) определен несколькими независимыми способами и составляет примерно 12 - 15 миллиардов лет.

Эта оценка согласуется:

- с возрастом Солнца в 5 миллиардов лет, установленным в космогонии, особенно если учесть, что Солнце - это звезда второго поколения, сформировавшаяся из вещества, разбросанного по космосу при взрывах звезд первого поколения;

- с возрастом Земли в 4,5 миллиарда лет, установленным средствами геологии;

- с продолжительностью эволюции живых существ на Земле в 3,5 - 4 миллиарда лет, установленной средствами биологии.

Эта оценка возраста Вселенной не согласуется с историей сотворения мира, описанной в Библии, согласно которой Земля, человек и другие живые существа, Солнце и звезды были созданы Богом несколько тысяч лет назад в течение нескольких дней.

Модель «Большого Взрыва» (Г.Гамов, 1948 г.)

«Исходное начало» Вселенной было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материально-энергетической составляющей Вселенной.

Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

Состояние Вселенной, когда все вещество Вселенной в начальный момент сосредоточенно в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью, называется сингулярным.

4. Энергия - материя, которая достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом сингулярном состоянии, взорвалась, произошел Большой Взрыв (речь идет не о обычном взрыве).

5. Большой Взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого Взрыва.

6. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры, по всем направлениям расширяющейся Вселенной, в виде так называемого реликтового излучения.

В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2,7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К.

Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва.

После Большого взрыва развитие Вселенной можно разделить на эпохи.

1. Через 10?33 с материя существовала в виде частиц и излучения.

2. Адронная эпоха (греч. «адрос» - тяжелый). Американские исследователи считают, что материя после Большого взрыва существовала не в виде раскаленного газа, а в виде жидкости. Первые частицы (прародители) - преоны. Распад преонов привел к появлению гипотетических частиц - кварков. Кварки не существуют в свободном состоянии, как предполагают, из них состоят протоны и нейтроны.

В эту эпоху под действием больших температур и давления из кварков начали образовываться протоны и нейтроны.

Кварки, протоны и нейтроны относятся к тяжелым частицам и называются адроны.

К концу эпохи из протонов и нейтронов начинают образовываться ядра.

3. Лептонная эпоха (греч. «лептос» - легкий).

В эту эпоху образуется большое количество легких частиц, к которым относятся электроны, преоны, нейтрино и др. Нейтрино образуются в ядерных реакциях типа:

(электронное нейтрино).

Поскольку в эту эпоху существуют ядра и электроны, следовательно начинается образование атомов (Т = 107 К). Эта эпоха длится 10 с.

4. Эпоха излучения. Плотность излучения меньше, чем в адронную эпоху, но все равно многократно превышает плотность вещества.

По мере уменьшения температуры в результате рассеяния энергии плотность излучения уменьшается, а плотность вещества растет.

Длится 1 млн. лет.

5. Эпоха вещества. Плотность вещества преобладает над плотностью излучения. Длится 15 - 18 млрд. лет.

Дальнейшее развитие Вселенной зависит от соотношения (G H2):

если соотношение (G H2) < 0, то Вселенная может расширяться до бесконечности;

если (G H2) > 0, то расширение сменится сжатием.

Здесь G - гравитационная постоянная; Н - постоянная Хаббла (коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактик и расстоянием до них); - плотность вещества во Вселенной. Эдвин Хаббл - американский астрофизик.

Последовательность стадий эволюции Вселенной

инфляционное расширение - рождение вещества - формирование звезд первого поколения - образование элементов тяжелее гелия.

Антропный принцип - устанавливает зависимость человека, как сложной системы и космического существа, от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных - постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов - ядер, атомов и т.д. Например, если уменьшить массу протона на 30 % , то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атома водорода, а тем самым отсутствовала бы сама жизнь.

Согласно антропному принципу: факт существования во Вселенной сложно устроенного наблюдателя (человека разумного) накладывает сильные ограничения на параметры.

Антропный принцип применяется в слабом и сильном вариантах:

- слабый антропный принцип: фундаментальные константы таковы, какими их видит наблюдатель. Т.е. на свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

- сильный антропный принцип : свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Т.е. значения фундаментальных констант находятся в таких пределах, чтобы существовал наблюдатель.

Согласно космологическим моделям:

- происхождение легких химических элементов (вплоть до железа) связано с термоядерными реакциями внутри звезд (в недрах стабильных звезд).

- образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд.

Резюмируем некоторые положения:

- модель расширяющейся Вселенной подтверждается открытием Хабблом пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них

- модель Большого Взрыва подтверждается обнаружением реликтового излучения (т.е. микроволнового фонового излучения)

- оба вышеприведенных наблюдательных факта свидетельствуют и в пользу конечного возраста Вселенной

- сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, в модели Фридмана зависит только от средней плотности материи во Вселенной

- в последние годы 20 века и начала 21 века экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением

- наиболее общепринятой моделью Вселенной в современной космологии является модель однородной, изотропной горячей нестационарно расширяющейся Вселенной

- современная космология строит модели Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна

- согласно модели Большого Взрыва: все вещество Вселенной в начальный момент было сосредоточено в небольшом объеме (бескончно малом) с бесконечно высокой плотностью. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью.

Проблемы космологии

1) Проблема сингулярности

Сингулярность - особая область пространства, размеры которой составляют 10?35 м (Планковская длина - 10-35 м), кроме того, так называется состояние Вселенной через 10-43 с после Большого взрыва, когда материя имела бесконечно большие плотность и температуру.

2) Определение массы во Вселенной.

Массу Вселенной очень трудно определить, так как в ней много пыли, газа, неизвестных объектов, имеются нейтрино () в большом количестве.

Нейтрино не имеет массы покоя, и следовательно не должна изменить массу Вселенной. Но по другим предположениям, масса нейтрино приблизительно составляет 0,001me (массы электрона).

Если нейтрино имеет массу, то масса Вселенной сразу возрастает вдвое.

3) Проблема темной материи.

Во Вселенной много мест, о которых ученым ничего неизвестно (темная материя). Поскольку неизвестна масса вещества во Вселенной, то неизвестна и плотность вещества в ней. В то же время будущее Вселенной находится в зависимости от плотности вещества во Вселенной. Если (G? ? H2) < 0, то она будет бесконечно расширяться, если (G? ? H2) > 0, то сжиматься.



Кривизна пространства

1. Геометрия на плоскости - эвклидова (неискривленная) геометрия. Можно указать признак: сумма углов в треугольнике равна 180 ?.

2. Геометрия Римана (искривленная), треугольник на шаре, сумма углов в треугольнике больше 180 .

3. Геометрия Лобачевского (искривленная), треугольник на седловине, сумма углов в треугольнике меньше 180 .

Геометрии Римана и Лобачевского имели огромное значение для развития теории относительности. В частности, математик Герман Минковский применил неэвклидовы геометрии для объяснения теории относительности. Эйнштейн предположил в общей теории относительности, что кривизну пространства можно объяснить наличием гравитационного поля, или поля тяготения. Он предложил использовать неинерциальные системы отсчета в качестве инерциальных, в которых имеется поле тяготения.

Таким образом, гравитационное поле, по предположению Эйнштейна, является причиной искривления пространства.

От чего будет зависеть гравитационное поле и кривизна пространства? На этот вопрос можно ответить, рассматривая закон всемирного тяготения.

сила гравитационного притяжения.

Поскольку масса (m) зависит от плотности вещества и объема тела (, где ? - плотность вещества; V - объем тела), то в конечном счете сила гравитационного притяжения зависит от плотностей веществ взаимодействующих тел. Кроме того, сила гравитационного притяжения (величина гравитационного поля) зависит от расстояния (r) между телами, и следовательно будет изменяться при движении тел. Поэтому мы можем сказать, что гравитационное поле и кривизна пространства зависят от плотности вещества и его движения.

В пределах нашей солнечной системы и даже за ее пределами пространство может считаться эвклидовым. Однако во Вселенной существуют объекты, вблизи которых пространство является существенно искривленным. К таким объектам относятся массивные тела, например Солнце, звезды, черные дыры и др.

Оказалось, что и развитие таких объектов, как сама Вселенная, зависит от плотности материи в ней.

Размещено на Allbest.ru