Основные концепции происхождения Солнечной системы

    Государственное образовательное учреждение

    Высшего профессионального образования

    «Волгоградский государственный социально-педагогический университет» 

    Факультет экономики и управления

    Кафедра экономики и управления 
 
 

    Основные  концепции происхождения  Солнечной системы

    Контрольная работа 
 

       Выполнила:

                 Проверил:     
 
 
 
 

Волгоград – 2011

    ВВЕДЕНИЕ 

    Солнечная система состоит из центрального небесного тела — звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых  планет — астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие  планеты располагаются в порядке  удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.

    Один  из важных вопросов, связанных с  изучением нашей планетной системы  — проблема ее происхождения. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее  и будущее Вселенной, в том  числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными  — для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты  и образцы лунных пород. Ограничены и возможности сравнительного метода исследований: строение и закономерности других планетных систем пока еще  недостаточно изучены. 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Гипотезы о происхождении  солнечной системы 

    К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной  системы, в том числе предложенные французским философом Декартом (1956 – 1650),  французским биологом и математиком Бюффоном (1707 – 1788), немецким философом И.Кантом (1724—1804), французским математиком и физиком П.Лапласом (1749—1827) и британским физиком – теоретиком Джеймсом Хопвудом Джинсом (1877 – 1946).

    По  Декарту, все тела образованы из трех элементов: огня, воздуха и воды. Огонь — самая тонкая и самая  пронизывающая жидкость на свете, «все его частицы движутся с такой  необычайной скоростью и так  малы, что нет других тел, способных  их задержать; кроме того, эти частицы  не имеют определенной величины, фигуры или расположения». Частицы второго  элемента, воздуха, обладают определенной величиной и фигурой; Декарт сравнивает их с песчинками или пылинками. Частицы  земли (третьего элемента) более крупные  и обладают «малым движением» или  «совершенно не имеют никакого движения». Элементы возникли в результате движения материи и трения материальных масс.

    Декарт  считал, что движение во Вселенной возможно только в виде вихрей, внутри которых частицы перемещаются в результате ударов друг о друга. Каждый вихрь порождает солнечную систему. Солнце возникло в результате концентрации частиц огненного элемента в центре вихря, планеты — из звезд, в которых элементы огня заменились элементами земли. Планеты увлекаются вращением вихря и сохраняют вращение вокруг его оси, а также вокруг центра вихря — Солнца. Кометы представляют собой твердые тела и произошли из третьего элемента. Они обладают быстрым движением и могут выйти за пределы одного вихря.

    Несмотря  на фантастичность космогонии Декарта  и ее несостоятельность в объяснении известных уже в то время фактов (например, закономерностей в движении; планет, установленных Каплером), она была прогрессивной и сыграла в истории науки выдающуюся роль. Прогрессивна идея объяснить происхождение и развитие мира из свойств материи, не менее прогрессивна универсальная идея развития, хотя эта идея и была метафизичной (развитие мыслилось механистически, без перехода постепенных количественных изменений в изменения качественные, без скачков на этой основе).

    В 1749-м году француз Бюффон в первом томе своей книги «Естественная  история» предложил одну из первых космогонических гипотез, ставших  известных в научном мире после  того, как Коперник «поместил» Солнце в центр мира.

    По  его мнению, однажды большая комета столкнулась с Солнцем, благодаря  чему произошёл выброс солнечного вещества. Это вещество, разбившись на части, образовало планеты и их спутники.

    Бюффон  не задаётся вопросом о происхождении  комет и Солнца. Он считал кометы телами, не принадлежащими Солнечной системе. Кроме того, он ошибочно полагал, что Солнце и кометы являются твёрдыми телами. При скользящем столкновении гигантской кометы с таким Солнцем, последнее должно было приобрести вращение и потерять часть своей массы, которая, расплавившись при ударе, смогла бы образовать вращающиеся вокруг Солнца тела. При этом, все будущие планеты должны приобрести то движение, которое и наблюдается в Солнечной системе: в одном направлении, в плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца. Бюффон попытался объяснить наиболее значимые особенности существования нашей планетной системы.

    По  Бюффону, спутники планет образовались ещё на той стадии, когда сами планеты были жидкими и имели  значительную скорость вращения вокруг собственной оси. Из-за быстрого вращения от экваторов планет должны были отделяться частицы вещества, которое и пошло на образование спутников. Как мы увидим, в других космогонических гипотезах эта идея отрыва вещества от быстро вращающихся тел не останется не замеченной.

    Точка зрения И. Канта заключалась в  эволюционном развитии холодной пылевой  туманности, в ходе которого сначала  возникло центральное массивное  тело — Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием  силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента  импульса вращалась все быстрее  и быстрее. Под действием больших  центробежных сил, возникающих при  быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между  двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи — Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько  «приливных теорий».

    Наиболее  знаменитая теория была выдвинута сэром  Джеймсом Джинсом, известным популяризатором  астрономии в годы между Первой и Второй мировыми войнами. (Он также был ведущим астрофизиком, и лишь в конце своей карьеры обратился к созданию книг для начинающих.)

    Рис. 1. Приливная теория Джинса. Звезда проходит рядом с Солнцем,

    вытягивая из него вещество (рис. А и В); планеты  формируются

      из этого материала  (рис. С) 

    Согласно  Джинсу, планетное вещество было «вырвано»  из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось  на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в  центре планетной системы, где некогда  находилась утолщенная часть сигарообразной туманности.

    Если  бы дела действительно обстояли таким образом, то планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки. 
 
 

    2. Современные теории происхождения солнечной системы 

    Согласно  современным представлениям, планеты  солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет  назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика  О.Ю. Шмидта (1891—1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и  наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании  планет путем объединения твердых  тел и пылевых частиц. Возникшее  около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное  движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением  облака вокруг Солнца.

    Пылевые частицы сконцентрировались в центральной  плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало  «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и  распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они  образовали множество сплошных плотных  тел. Наиболее крупные из них приобретали  почти круговые орбиты и в своем  росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих  планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к  себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых  по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.

    С учетом физических характеристик все  планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы —  Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см³, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты -гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера— 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

    В процессе образования планет их деление  на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и  все вещества, кроме водорода и  гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет — Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии, и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов.

    Также из современных гипотез происхождения солнечной системы известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом.. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

    Слабость  предложенной гипотезы заключалась  в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых  элементов - дальше. Значит, ближайшие  к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят  об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества Движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

    Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему; в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.