Предпосылки формирования современной астрономической картины мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему: «Предпосылки формирования современной астрономической картины мира»

Содержание

Введение

Глава 1. Предпосылки формирования современной астрономической картины мира

1.1 Геоцентрическая система мира

1.2 Гелиоцентрическая система мира

Глава 2. Открытие галактик

Глава 3. Теория происхождения и эволюции Вселенной

Заключение

Введение

Предпосылками формирования современной астрономической картины мира послужили труды многих Великих ученых, например, Аристотель, К. Птолемей, Н. Коперник, Д. Бруно, Г. Галилей, Н. Кузанский, М. Ломоносов, И. Кант и заканчивая А. Эйнштейном, А. Фридманом, Г. Гамовым, Р. Уилсоном и многими другими.

Для наблюдений видимой части Вселенной использовались разные астрономические инструменты: до телескопной эпохи - астролябия, секстант, квадрант, армиллярная сфера, маятник, гномон - простейший астрономический прибор; и после изобретения телескопа в начале 17 века - космический телескоп Хаббла, радиотелескопы, инфракрасные спутники и многие другие астрономические приборы и станции.

Но самым главным источником наших сведений о мире небесных тел является свет, - он приходит к нам с очень больших расстояний. А так как его скорость очень велика, но имеет конечную величину, требуется время, чтобы он достиг Земли. Для планет Солнечной системы это время измеряется минутами или часами, а свет далеких галактик с огромной скоростью мчится к нам в пространстве миллиарды лет. Следовательно, мы видим их такими, какими они были в далеком прошлом.

Мы не можем проследить жизнь отдельной звезды - это миллионы и миллиарды лет. Но мы видим одновременно множество звезд, находящихся на разных стадиях жизни - молодые, только что родившиеся; устойчивые звезды главной последовательности; старые, почти израсходовавшие запасы энергии. Это помогает выстроить общую картину жизни звезды. А вот планетную систему мы хорошо знаем только одну - нашу собственную. Но у других звезд есть такие образования - газопылевые диски, из которых почти наверняка со временем образуются планеты. Изучая их, мы как бы погружаемся в прошлое нашей планетной системы. Значит, также можем открывать и систематизировать новые знания об окружающем нас мире.

Глава 1. Предпосылки формирования современной астрономической картины мира

1.1 Геоцентрическая система мира

астрономический галактика вселенная гелиоцентрический

Человеческий разум не способен охватить нечто столь необъятное как Вселенная. Однако в древние времена существовало очень примитивное представление о Вселенной. Люди полагали, будто Солнце, Луна, звезды и планеты - всего лишь маленькие тела, вращающиеся вокруг Земли. Они думали, что Вселенная такова, какой хотелось ее видеть им, т.е в центре её находится огромная, плоская, неподвижная Земля, а над ней простирается купол неба, усыпанный тысячами маленьких огоньков.

Впервые зачатки истинного учения о Вселенной появились в Древней Греции. Большинство греческих астрономов по-прежнему считали, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной. Однако известный ученый Пифагор уже в 6 веке до н.э. высказал предположение, что Земля имеет форму шара.

Множество учёных потрудились над разработкой взглядов на окружающий человека мир, но. Пожалуй, одним из первых выдающихся представителей древних наук был Аристотель из греческого города Стагиры (384-322 гг. до н.э.), наставник и друг знаменитого полководца Александра Македонского. Аристотель в течение почти двух тысячелетий считался величайшим авторитетом в любой науке. Он одним из первых придумал собственную систему мира, т.е. рассказал, как, по его мнению, устроена Вселенная.

В центре Вселенной он поставил неподвижную шарообразную Землю. То, что Земля - шар, Аристотель доказывал двумя фактами: во-первых, во время лунных затмений Земля отбрасывает на поверхность нашего спутника круглую тень, а во-вторых, во время дальних путешествий звезды, расположенные низко над горизонтом, исчезают под ним, скрытые выпуклостью Земли, зато с другой стороны появляются новые, до этого не видимые. Это было бы невозможным, если бы Земля была плоская: путник видел бы одни и те же звезды.

Система Аристотеля называется геоцентрической ( от греч. «геос» - земля): вокруг Земля вращаются твердые прозрачные сферы, к которым прикреплены Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. На восьмой сфере он поместил все звёзды, а на девятой сфере был своего рода небесный мотор, который и вращал все остальные сферы. Система Аристотеля выкинула из мироздания богов. Жрецы обрушили за это на ученого весь свой гнев, изгнали на старости лет из родного города.

Учение Аристотеля оказалось очень полезным для европейской науки средних веков, однако некоторые ошибочные выводы его последователями были объявлены непререкаемыми истинами и долгое время тормозили развитие науки.

Немного есть научных трудов, которые сохранили бы свою ценность на протяжении многих веков, изучались бы десятками поколений ученых. К числу таких трудов относится «Альмагест» греческого ученого Клавдия Птолемея (ок. 90-160). Он долго жил в Александрии, которая в течение нескольких столетий служила центром греческой культуры. Там Птолемей производил астрономические наблюдения, там написал «Альмагест» (так переделали на арабский лад заглавие «Великое построение»). В нем он изложил новую, придуманную им систему мира. Птолемей, как и Аристотель, придумал геоцентрическую систему мира, и у него центром Вселенной служила неподвижная Земля. Но, в отличие от Аристотеля, александрийский астроном не признавал никаких хрустальных сфер. У него Солнце и планеты вращались вокруг Земли в пустом небесном пространстве.

Путем сложных геометрических построений Птолемей сумел создать такую систему мира, что она давала возможность предсказывать солнечные и лунные затмения, находить небесные тела в тех точках неба, на какие указывала теория. Птолемеевской системе мира «повезло» еще в том, что ее приняла и поддерживала христианская церковь. А она в те времена пользовалась огромной силой. Все, что не соответствовало церковному учению, объявлялось ересью, еретики томились в тюрьмах или погибали на кострах. И Птолемей, и религия одинаково считали Землю центром мироздания. Геоцентрическая система мира удовлетворяла церковь, ее распространяли, запрещая сомневаться в истинности учения Птолемея.

1.2 Гелиоцентрическая система мира

Эта система просуществовала до великого открытия польского астронома Николая Коперника. В 16 веке Коперник предложил свою систему мира, названную гелиоцентрической (от греч. «гелиос» - Солнце). Это был революционный переворот в науке. Коперник первым дал правильный план построения Солнечной системы, по которому утверждалось, что в центре мира находится Солнце, а Земля вместе с другими планетами движется вокруг него. Теории Коперника поддерживали и развивали многие ученые: И. Кеплер, И. Ньютон. В России учение Коперника поддерживал М.В. Ломоносов.

Спустя немногие десятилетия после кончины Коперника была раскрыта революционная сущность его нового учения. Это сделал бывший монах одного из неаполитанских монастырей Джордано Бруно (1548--1600гг). В 60-е годы по сокращенному изложению Ретина Бруно познакомился с гелиоцентрической теорией Коперника. Она показалась ему вначале нелепой, но заставила критически присмотреться к официальному учению Птолемея и более внимательно -- к материалистическим учениям древнегреческих атомистов о бесконечности Вселенной. Особенно большую роль в формировании взглядов Бруно сыграло его знакомство с натурфилософским учением Николая Кузанского, в котором отрицалась возможность для любого тела быть центром Вселенной, поскольку она бесконечна. Пораженный этой идеей, Бруно понял, какие грандиозные перспективы открывал гелиоцентризм, если понимать его не как учение о всей Вселенной, а как теорию типичной для Вселенной системы -- планетной.

Объединив философско-космологическую концепцию Николая Кузанского и четкие астрономические выводы теории Коперника, Бруно создал собственную естественно-философскую картину бесконечной Вселенной. Концепция Вселенной Бруно и в наши дни поражает глубиной идей и точностью научных предвидений. Она была изложена в двух сочинениях Бруно, изданных им в 1584 г.: «О причине, начале и едином» и «О бесконечности, вселенной и мирах». Вслед за Николаем Кузанским он отрицал существование, какого бы то ни было центра Вселенной. Бруно утверждал бесконечность Вселенной во времени и пространстве и представлял небо как «единое, безмерное пространство, лоно которого содержит все», как эфирную область (понимая эфир как вид обычной материи), «в которой все пробегает и движется». Он писал: «В нем -- бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли, чувственно воспринимаемые; разумом мы заключаем о бесконечном количестве других». «Все они,-- пишет он в другом месте,-- имеют свои собственные движения, независимые от того мирового движения, видимость которого вызывается движением Земли», причем «одни кружатся вокруг других».

Бруно писал о колоссальных различиях расстояний до разных звезд и сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Он разделял небесные тела на самосветящиеся -- звезды, солнца и на темные, которые лишь отражают солнечный свет «из-за обилия на них водных или облачных поверхностей». Бруно утверждал изменяемость всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними космическим веществом. Эту идею он распространял и на Землю. Бруно утверждал, что «поверхность нашей Земли меняется, только через большие промежутки эпох и столетий, в течение которых моря превращаются в континенты, а континенты в моря». Общим фоном учения Бруно была идея саморазвития природы.

Многие идеи Бруно оказались преждевременными, недоступными для их понимания и принятия и были надолго забыты. Но одна уже вскоре овладела умами. Это -- идея множественности обитаемых миров. Она существенно меняла астрономическую картину мира, и ее утверждение может быть квалифицировано как своего рода локальная революция в самой астрономии, ставшая первым следствием универсальной революции Коперника. Вплоть до середины XVI в. астрономия в Европе была чем-то вроде приложения математики.

Глава 2. Открытие галактик

В своем познании Вселенной человечество двигалось постепенно от ближних небесных тел к дальним, хотя вопрос об определении расстояний долгое время не мог быть решен теми средствами, которые были в распоряжении древних астрономов. Однако они совершенно верно считали, что планеты ближе звезд - и именно из-за видимого движения планет на фоне созвездий.

Вслед за уточнением плана Солнечной системы последовало раскрытие тайны Млечного Пути - древние думали, что это молоко, пролитое богиней Герой. Согласно другим мифам - это дорога с горы Олимп на землю. «Небесной рекой» называется Млечный Путь в китайских сказаниях. Однако, Млечный Путь - это оказалась гигантская звездная система, в которую входит и рядовая звезда Солнце со своей семью планет. Миллиарды звезд, составляющих Млечный Путь, образуют единую звездную систему - Галактику, одной из этих звезд и является Солнце. Следующим шагом явилось открытие других звездных систем, одни из которых походили на нашу Галактику, а другие от нее сильно отличаются, также изучение их оказалось сложным, поскольку расстояния до них очень велики.

Как известно, первым заподозрил существование иных, чем Млечный Путь, звездных систем видный философ и естествоиспытатель 18 века И. Кант. О чем свидетельствуют его слова из книги «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.): «Если система звезд, расположенных в одной плоскости, как в Млечном Пути, рассматривается наблюдателем, находящимся вне ее, с необозримо далекого расстояния, то под малым углом зрения эта звездная система представится глазу в виде слабо светящегося пятнышка - совершенно круглой формы, когда ее плоскость обращена прямо к глазу, и эллиптической, когда ее рассматривают сбоку. Такого вида пятна астрономия открыла давно, хотя мнения, которые астрономы составили себе о них, весьма различны».

«Проверить числом» гениальную догадку Канта оказалось довольно трудно, на это ушло без малого два века. Ведь для этого нужно было доказать, что расстояния до звездных систем, выглядящих на небе как круглые и эллиптические туманные пятна, превышают расстояния между звездами в Млечном Пути. А метод параллаксов, разработанный в 19 веке, позволял определить расстояния лишь до звезд, не слишком удаленных от Солнца.

Начало 20 века принесло большие успехи в деле строительства мощных астрономических инструментов. Чем больше диаметр объектива телескопа, тем более слабые светила, он различает и к тому же тем более близкие светила, он позволяет разделить, показать как отдельные объекты. В 1918 году на обсерватории Маунт-Вилсон (США) был введен в действие рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м. А в 1923 году Эдвину Хабблу на этом телескопе удалось разложить на звезды наружные части туманности Андромеды, доказав тем самым, что это система звезд. Так или иначе, эти данные не позволяли рассматривать туманность Андромеды как элемент Млечного Пути. Впоследствии были определены расстояния до многих подобных туманностей. Почти все они оказались больше, чем расстояние до туманности Андромеды. В областях Млечного Пути, мощные телескопы сегодня регистрируют больше галактик, чем звезд.

Глава 3. Теория происхождения и эволюции Вселенной

На настоящий момент в космогонии существует несколько гипотез происхождения и эволюции Вселенной и, соответственно, Галактик, планет и звезд. Самой распространенной является теория Большого взрыва. Но даже эта правдоподобная концепции происхождения Вселенной подвергается критике некоторых ученых. Определить возраст Вселенной - это задача космогонии. Современная оценка возраста Вселенной 10 млрд. лет не допускает представлений о том, что Вселенная якобы возникла 10 млрд. лет назад. Мы можем лишь весьма приблизительно проследить развитие Вселенной на 10 млрд. лет назад, а о ее свойствах в более ранние сроки ничего не известно. Вот почему любая гипотеза, объясняющая происхождение мира всегда может подвергаться критике и опровержению.

Слова «Большой взрыв» обозначают скорее некоторый образ происшедшего, чем физическую картину самого события. Собственно взрыв в физическом представлении означает резкое локальное повышение давления и температуры газа, распространяющееся в окружающей среде. Для такого распространения необходима существенная разность давлений в очаге взрыва и той среде, в которой он распространяется. Ничего подобного, конечно, не существовало в момент Большого взрыва. Пространство вне расширяющейся Вселенной просто не существовало. Даже на самых ранних стадиях расширения Вселенная была безграничной.

Вопрос о том, что же было до Большого взрыва, не может быть даже поставлен в тех терминах, к которым мы привыкли. При столь чудовищной плотности вещества понятие времени было совершенно иным. Столь же неправильной является и постановка вопроса о «начале времени». Та же самая ситуация и с категорией пространства - некоторые теоретические результаты заставляют думать, что оно не было трехмерным, которое все мы знаем, а имело большее число измерений. Всеми этими вопросами призвана заниматься квантовая теория гравитации - наука, которая пока еще не создана.

Те представления, которые можно высказать о начальных моментах существования наблюдаемой нами Вселенной, лежат на переднем крае современной науки. Однако, в том, что 10-15 млрд. лет тому назад вся наблюдаемая нами Вселенная занимала очень маленький объем, а после этого начала стремительно расширяться, никто из серьезных специалистов не сомневается.

Когда газ расширяется, он охлаждается. Примерно то же самое должно происходить с веществом расширяющейся Вселенной. И если сейчас средняя температура Вселенной невысока, то раньше она должна была быть намного выше. Первым высказал идею о том, что первоначально Вселенная была горячей, имела высокую температуру, уроженец Одессы Георгий Гамов 1946 году, к тому времени известный американский астроном.

Это предположение имело и другую сторону. Известно, что все частицы имеют волновую, и корпускулярную природу, т.е. что каждой частице соответствует какая-то волна. Это значит, что вещество и излучение имеют в принципе одну и ту же природу, хотя и проявляются по-разному. Но в определенный момент развития Вселенной - примерно через миллион лет после Большого взрыва - должно было произойти отделение вещества от излучения. Понижение температуры привело к захвату протонами электронов и образованию ядер нейтрального водорода, после чего среда стала прозрачной для излучения, и оно практически перестало взаимодействовать с веществом. Излучение в расширяющейся Вселенной должно было терять свою температуру, но ни в коем случае она не могла упасть до абсолютного нуля. Спектр излучения менялся, оно должно было соответствовать тепловому излучению со все более низкой температурой. Остаток этого излучения, «эхо Большого взрыва», должен существовать во Вселенной, и его в принципе можно уловить приборами. По расчетам Гамова, температура этого излучения должна быть порядка 5-6 кельвинов, т.е. 5-6 градусов выше абсолютного нуля.

В истории Вселенной весьма важным является момент, когда в ней наряду с излучением стало играть заметную роль вещество. Его называют моментом рекомбинации, и он наступает примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной.

Эпоха до момента рекомбинации называется радиационной эпохой. В это время при чрезвычайно высокой температуре кванты излучения преобладали во Вселенной. Излучение, конечно, порождало элементарные частицы - протоны, нейтроны, электроны и другие, но вместе с ними возникали соответствующие им античастицы, в процессе взаимодействия с которыми материя вновь возвращалась в состояние излучения. Сохранялось лишь небольшое число частиц, для которых античастиц не хватило, - в настоящее время на 1 нуклон приходится миллиард квантов реликтового излучения. Это значит, что избыток частиц над античастицами составлял ничтожные доли процента. Но именно он и положил начало рождению вещества Вселенной, звезд и галактик. Эти события происходили буквально в течение одной секунды с момента рождения Вселенной.

Последовавшие за этим три минуты носят название эпохи нуклеосинтеза, т.е. образования атомных ядер. Температура продолжала падать, и в эпоху нуклеосинтеза образовались ядра дейтерия (тяжелый водород), гелия, и - в очень небольших количествах - лития и бериллия - это все химические элементы, ядра которых содержат наименьшее количество нуклонов. В эпоху нуклеосинтеза Вселенная продолжала спокойно расширяться, и через миллион лет наступил момент, когда свободные электроны были захвачены уже образовавшимися атомными ядрами - момент рекомбинации, и вещество получило ту форму нейтрального газа, из которой могли сформироваться звезды и галактики - что и произошло спустя сотни миллионов лет после начала расширения.

Если до рекомбинации атомные ядра активно взаимодействовали с излучением, то теперь возникли нейтральные атомы, которые как бы «не замечались» излучением - вещество стало прозрачным для излучения. Именно от этой эпохи дошло до нас реликтовое излучение, правда, «покрасневшее» вследствие расширения Вселенной и потерявшее свою энергию, т.е. излучение «остыло».

Как только вещество отделилось от излучения, оно начало жить самостоятельной жизнью. В нем появились незначительные местные уплотнения - зародыши будущих галактик и их систем. Сразу после момента рекомбинации во Вселенной не было ни звезд, ни галактик, их образование связано с тем, что теперь существенную роль в эволюции Вселенной стала играть сила тяготения. Там, где плотность оказалась чуть выше средней, все больше проявляли себя силы, притягивающие частицы одну к другой, а это увеличивало сгущение, создавая еще большее уплотнение в данном месте и разрежая вещество в соседних районах. Изучение реликтового излучения, которое поначалу казалось исключительно однородным, показало наличие в нем малых флуктуаций яркости, которые отражают существование уплотнений, приведших к рождению галактик.

В настоящее время мы можем наблюдать галактики со столь большими красными смещениями, что их вид должен соответствовать моменту вскоре после их рождения. Наблюдения показывают, что они действительно были тогда молодыми образованиями.

Большинство астрономов считают, что та Вселенная, которую мы можем наблюдать, - это только часть Вселенной, простирающейся в необозримо далеком пространстве.

Согласно современной теории, Вселенная конечна, но безгранична, закручена вокруг самой себя. Это означает, что нельзя выйти из этого пространства, так как любой путь будет пролегать по кругу и снова приведет в начальную точку. В математике есть такое понятие - односторонняя поверхность, т.е лист Мебиуса. Она замкнута сама на себя и границ не имеет, ее никоим образом нельзя покрасить в два разных цвета. Возможно, подобным образом устроена Вселенная. Можно представить плоское существо, живущее на поверхности сферы. Оно можно перемещаться в любом направлении по поверхности, но покинуть поверхность не может. Двигаясь, все время в одном направлении оно попадет в исходную точку. Точно так же можно совершить кругосветное путешествие вокруг Земного шара, не покидая его, можно долго путешествовать и во Вселенной, все время, оставаясь внутри нее. Закрученность космоса может быть описана с помощью высшей математики, но изобразить ее на листе бумаги невозможно.

Заключение

Исторически человек всегда помещал себя в центре Вселенной. Ему казалось, что существо, более совершенное, чем вся остальная природа, должно занимать самое главное место в этой природе. Таковы были и древние системы мира - в центре Земля, а вокруг нее все остальные светила.

Первый удар по этим в основном умозрительным системам нанесло учение Коперника - Земля из центра мира стала одной из планет Солнечной системы. Затем положения центра мира лишилось и Солнце - оно оказалось рядовой звездой. Так постепенно суждения о физическом положении человека в мире переходили из области общефилософских построений в область естественных наук.

Долго, впрочем, казалось, что уж в нашей-то солнечной системе мы находимся в самом центре - ведь интенсивность Млечного Пути практически одинакова во всех направлениях. Но и это представление оказалось неверным - слишком большая часть излучения нашей галактики поглощается пылью, сосредоточенной именно там, где и мы находимся, - то есть вблизи галактической плоскости, чтобы иметь точное представление об истинной яркости отдельных ее частей. А вот распределение хорошо наблюдаемых шаровых звездных скоплений оказалось весьма асимметричным, и это указывало, что мы находимся далеко не в центре нашей звездной системы.

По современным данным Солнце находится на расстоянии 22-23 тысяч световых лет от центра Галактики. При диаметре галактического диска в 100 000 световых лет это составляет почти половину радиуса, то есть это и не самый центр, но и не самая периферия. Поскольку наша Галактика - спиральная, и как известно, спиральные рукава - самые активные области, именно там чаще всего вспыхивают сверхновые звезды; именно там наиболее высок уровень жесткого рентгеновского и гамма-излучения. Солнце находится примерно между двумя спиральными рукавами, в относительно спокойном месте Галактики. Такое положение чрезвычайно выгодно с точки зрения земной жизни. И более того, на протяжении долгого периода времени оно не покидает этот спокойный район, не погружается в коварный рукав, где мощное энергичное излучение могло бы повлиять на живые организмы.

Таким неожиданным образом представление о «привилегированном» положении человечества во Вселенной, пройдя многовековой путь, вновь вернулось в науку. Это в который раз доказывает, что формирование современной астрономической картины мира тесным образом связано с накопленными и реализованными в ходе построения различных концепций, совокупными и систематизированными знаниями, полученными Великими людьми разных поколений.

Размещено на Allbest.ru