Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

 

 

 

 

 

 

КАФЕДРА ФИЛОСОФИИ ИСТОРИИ И ПРАВА

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Концепции современного естествознания »

на тему «Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции»

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:

Наконечная Оксана Ильдаровна

специальность             БУ, А и А

группа                          ФНО 3 поток

№ зачетной книжки 10УБД43540

Руководитель:

Якупов Салават Фанильевич

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа – 2010

Содержание

Введение            3

1. Анализ понятия «Мегамир».  Современные космологические модели Вселенной                                                                                     3
2. Сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной   5
3. Структура Вселенной          8

Заключение          12

Список использованной литературы      13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

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; звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики. Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских” облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

1. Анализ понятия «Мегамир». Современные космологические модели Вселенной.

С точки  зрения современной науки Мегамир, это взаимодействующая и развивающаяся система всех небесных тел. Понятие "Вселенной" означает весь существующий материальный мир. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.

Часть Вселенной, доступная на данном уровне познания астрономических наблюдений, называется Метагалактикой, или "нашей вселенной". Строение происхождение, эволюцию Вселенной, как целого изучает космология - наука, занимающаяся учением о Вселенной, как о едином целом.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

Успешное изучение физических характеристик  галактик и распространение исследований на все более отдаленные области  Метагалактики делают возможной  постановку вопроса о Вселенной  как целого - ее устройства и развития. Правда, проблема эта ставилась философами еще 2500 лет назад как "космологическая  проблема", но ставилась абстрактно, без знания и понимания физической стороны вопроса. В наши дни "космологическая  проблема" эволюционировала до состояния развитой науки - космологии, располагающей фактами и математическими теориями, которые проверяются на основе наблюдений.

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 явно или неявно 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 «гравитационный». 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.

Впервые в науке Вселенная предстала  как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна  имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие  многих космологических моделей  Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время  вполне удовлетворительной, поскольку  она согласовывалась со всеми  известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали  дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том  же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает  три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность  вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверх плотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, — система галактик расширяется.

Расширение Вселенной  долгое время считалось научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.

2. Сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной

Согласно теоретическим  расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10"12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.

От первоначального  сингулярного состояния Вселенная  перешла к расширению в результате Большого взрыва. Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее "космологией Большого взрыва".

Ретроспективные расчеты  определяют возраст Вселенной в 13— 20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной и что она в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. "В современной космологии начальную стадию эволюции Вселенной делят на следующие "эры":

• эру адронов — тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия. Продолжительность — 0,0001 с, температура 10¹² °К, плотность 10¹⁴ г/см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов;
• эру лептонов — легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие. Продолжительность — 10 с, температура 10¹⁰ °К, плотность 10⁴ г/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между Протонами и нейтронами;
• фотонную эру — продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергий Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10¹⁰ до 3000 °К, плотность - с 10⁴ до 10²¹ г/см3. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества;
• звездную эру — наступает через 1 млн. лет после зарождения 
  Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования 
  протозвезд и протогалактик."

Затем разворачивается  грандиозная картина образования  структуры Метагалактики.

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов:

• начало Вселенной определяется как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50 см. Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10^-45 до 10^-30 с;
• стадия инфляции — в результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров   10^-33 см до невообразимо больших 10^1000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной — 10²⁸ см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения;
• переход от инфляционной стадии к фотонной — состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос;
• этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г.А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.