Космологические модели эволюции Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Космологические модели эволюции Вселенной

Содержание

Ведение

1. Предмет космологии

2. Исторические модели Вселенной

3. Космологическая модель Эйнштейн - Фридман

4. Эффект Доплера

5. Модель большого взрыва

6.Ключевые понятия темы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

«Концепции современного естествознания» - новый предмет в системе высшего образования. Для того чтобы понять основную задачу этого предмета для начала надо узнаем, что означает слово «естествознание». Естествознание - это раздел науки, который изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека (гуманитарные науки, и изучают духовные продукты человеческой деятельности, а технические науки, изучают материальную культуру). Результатами научных исследований являются теории, законы, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия можно объединить одним словом «концепции».

Представление об открытых системах явилось основой для утверждения в современном естествознании эволюционного взгляда на мир. Однако никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до нашего века не существовало. Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время - кварки.

Бесспорно, атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он обращает главное внимание на строение и структуру различных систем, а не на их возникновение и развитие. Правда, в последние годы получают распространение также системный и эволюционный взгляды, которые обращают внимание скорее на характер взаимодействия элементов разных систем, чем на анализ свойств тех частиц, которые рассматривались в качестве своего рода последних кирпичиков мироздания.

Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.

1. Предмет космологии

Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Космологию можно называть наукой о космосе. В наше время космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так как было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу - «беспорядку». Таким образом, масс и их движения. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считается действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип). К настоящему времени сложились определенные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.

2. Исторические модели Вселенной

Особое место исследований Вселенной в истории человечества обусловлено помимо их практической значимости, этическими, эстетическими, религиозными соображениями. Во Вселенной как бы пересеклись божественный и земной порядки. Недаром с древних времен астрономия была достоянием жрецов, хранителей тайного знания, она и по сей день, занимает центральное место в храме науки. Наибольшее количество «вечных» вопросов о происхождении мира, жизни, разума, месте человека в мироздании возникали и возникают тогда, когда он обращает взор и мысли к космической бездне. «Две вещи наполняют душу всегда новым и всё большим удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них - это звездное небо надо мной и моральный закон во мне», - писал великий Кант. А за XXIII века до него античный мудрец Анаксагор на вопрос подавленного бедами и заботами человека: «Ради чего все-таки лучше жить, чем не жить» ответил: Ради возможности наблюдать звезды. В современной астрономии названия многих планет Солнечной системы, неподвижных звезд и целых созвездий взяты из античной мифологии. Недаром все мифы одновременно космогоничны и космологичны, а самая древняя и устойчивая мечта человечества - о полетах в космос.

В историческом аспекте первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой располагалась неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх Самосский в III в. до н. э. предложил гелеоцентричекую систему, возрожденную польским священником Н. Коперником в 1514г. Сюда же можно отнести и античную систему Птолемея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. Кстати «модернизацией» этой модели занимались и И.Кеплер(1571-1630) (вместо эллиптических орбит круговые) и Г. Галилей. Всё это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII веке. Уже в это время (а Джордано Бруно еще ранее - XVI в.) возникли представления о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель, которая, по сути, была близка статистической Вселенной Эйнштейна.

Предполагалось, что пространство - абсолютно, однородно и изотропно, а время - абсолютно и однородно. Это устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном, так и во временном понимании. Бог создал - и все! С материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии - это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялось как жесткий каркас (они же абсолютные!) и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала некоторый дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм).

3. Космологическая модель Эйнштейна - Фридмана

Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. В качестве следствия его формулировки общей теории относительности (ОТО). Эйнштейн показал, что общая теория относительности однозначно объясняет возможность существования статистической Вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы это сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердило это. космология эйнштейн фридман доплер

Однако уже в 1922 г. А. Фридман показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, то есть развитие Вселенной. Обосновывая в 1917 г. Общую теорию относительности А. Эйнштейн ввел понятие космологического члена л (постоянной) как раз для обоснования статичности его модели Вселенной, о чём он не без влияния А.Фридмана, в 1923 г. Писал: «Прочь космологическую постоянную!». По свидетельству Г.Гамова А.Эйнштейн считал: «введение космологической постоянной самой грубой ошибкой своей жизни».

Космологическая постоянная была не чем иным, как приёмом, который студент- первокурсник назвал бы «коэффициент вранья» - абсолютно субъективной подгонкой к тому объективному решению, которое ему хочется получить. Этот «коэффициент» позволил его уравнениям дать желаемый результат.

А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. И А. Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана. К сожалению, работы Фридмана, в частности его книга «Мир как пространство и время», умалчивались вплоть до последнего времени, а автором теории расширяющейся Вселенной объявили аббата Ж. Леметра, президента папской академии наук в Ватикане. Стационораная, бесконечная в пространстве и времени Вселенная фигурировала и в философии Канта, Гегеля и Энгельса и была «узаконена» марксистко-ленинской философией. Все другие представления были объявлены ошибочными и лженаучными, в том числе и сама общая теория относительности А. Эйнштейна. Через какое-то время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. По смещению световых лучей можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде - это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя.

4. Эффект Доплера

Так как современная космология возникла после ОТО её называют релятивистской. Эмпирической базой для неё послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас - то к красному. При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдается красное смещение! Из этого следует, что они от нас удаляются. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик - больше для более удаленных галактик (что само по себе удивительно, и до сих пор причина этого не выяснена).

Американский астроном Э. Хаббл (1889 - 1953) установил в 1929 г. Закон:

V=Hr

Где V- лучевая скорость, r- расстояние до объекта, H- постоянная Хаббла, равная ~ (3 -5) 10 -18 степени с -1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H можно определить возраст Вселенной (t~1/H), , который оценивается в 40 - 20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

В работах известного американского физика Г.А. Гамова (1904- 1968), русского по происхождению исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Особенности развития космологии нашли отражения в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере её моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться, в статистическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. « Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о её расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит её сжатие. Изотропность - указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть её свойства не зависят от направления. Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Вселенная расширяется. Так как расширение, по-видимому, происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной явно выделить нельзя.

5. Модель Большого взрыва

Теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Плотностью свыше 10 в 25 степени г/см в кубе и температурой свыше10 в 16 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в1948 г. Г.А. Гамовым.

Обращаясь к сгустку перед Большим Взрывом, отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому её расширению - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактика, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Г.А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос - Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом, теория БВ согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~1 атом/см. в кубе, однако имеются сильные флуктуации, а именно случайные отклонения системы от равновесия. Эти флуктуации объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.

6. Ключевые понятия темы

1).Научный метод - подразумевает упорядоченный и организованный способ деятельности, направленный на достижение определенной практической или теоретической цели.

2).Эмпирический уровень познания опирается на непосредственное исследование реальных, чувственно воспринимаемых объектов.

3).Теоретически уровень выявляет существенные связи и закономерности изучаемого объекта.

4).Научная революция это процесс смены научно-исследовательских программ.

5).Слово «наука» у Аристотеля соответствует древнегреческому слову «епистэмэ», которое на обыденном языке эллинов первоначально понималось как «умение», «искусство», «опытность».

6).Основа динамики - законы механики Ньютона.

7).Теория относительности Эйнштейна - показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения.

8). Предмет космологии - является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Космологию можно называть наукой о космосе.

9). Космологическая модель Эйнштейна - Фридмана.

10). Американский астроном Э. Хаббл (1889 - 1953) установил в 1929 г. закон: V=Hr, который экспериментально подтвердил расширение Вселенной.

11). Модель Большого Взрыва - теория, которая, предполагает, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке.

Заключение

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся…

Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут «заглянуть» на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретиться на пути к звездам.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка Вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем.

Список использованной литературы

1). Горбачев В.В. Концепции Современного Естествознания: Учебник для вузов./ В.В. Горбачев. - М.: Оникс, Мир и Образование, 2009

2). Рузавин Г.И. Концепции Современного Естествознания: Учебное пособие./ Г.И. Рузавин. - М.: Гардарики, 2008.

3). Горелов А.А. Концепции Современного Естествознания: Учебное пособие./ А.А. Горелов. - М.: Астрель, 2009.

4). Белкин П.Н. Концепции Современного Естествознания/ П.Н. Белкин. - М.: Высшая школа, 2004.

5). Розен В.В. Концепции Современного Естествознания: Учебное пособие./ В.В. Розен. - М.: Айрис Пресс, 2006.

6). Карпенко С.Х. Концепции Современного Естествознания/ С.Х. Карпенко; Высшая школа, 2-ое изд., испр. - М., 2010.

7). Чанышев А.Н. Аристотель/ А.Н. Чанышев; Мысль, 2-ое, доп. изд. - М., 1987.

Размещено на Allbest.ru