Эволюция Вселенной

Министерство общего и профессионального  образования  
Свердловской области

ГБОУ СПО СО «Алапаевский профессионально  – педагогический колледж»

 

 

 

 

 

 

 

 

Эволюция Вселенной

 

 

 

Исполнитель:

Лыхин Андрей

студент группы 203 П.

Руководитель:

Лебедева  Юлия Анатольевна

 

 

 

 

Оценка: _________________

 

Алапаевск

2013

Введение 3

1. Происхождение и эволюция Вселенной 3

1.2. Измерение и изучение Вселенной 6

2. Современные космологические модели Вселенной 9

2.1. Теория относительности 10

3. Формирование космических тел 16

3.1 Рождение звезды 18

3.2 Острова Вселенной: галактики 23

4. Будущее Вселенной 28

Заключение 34

Список литературы 36

 

Введение

Издавна человеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения  нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится  к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать  умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной  проблемы. Согласно одним из них, мир  был сотворен и когда-то начал  свое существование; согласно другим –  мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

1. Происхождение и эволюция Вселенной

Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня  можно только предполагать, каким  было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и  что за процессы привели его к  расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество  с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное  вещество разлеталось, разбегалось  во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь  неустойчивых, постоянно распадающихся  при столкновениях частиц. Остывая  и взаимодействуя на протяжении миллионов  лет, вся эта масса рассеянного  в пространстве вещества концентрировалась  в большие и малые газовые  образования, которые в течение  сотен миллионов лет, сближаясь  и сливаясь, превращались в громадные  комплексы. В них в свою очередь  возникали более плотные участки  – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В  результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к  массе Солнца. Начавшийся процесс  сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс  этот сопровождает свободное падение  частиц облака к его центру –  происходит гравитационное сжатие.

В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности  и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации  атомов и образованию плотного ядра протозвезды. Существует гипотеза о  цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного  сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и  планет. Но затем неизбежно Вселенная  начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается  и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось  мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит  из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной  системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем  в форме Млечного Пути. Кроме звезд  и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и  космической пыли. Конечна или  бесконечна Вселенная, какая у нее  геометрия – эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией  Вселенной, в частности с наблюдаемым  расширением. Если, как это считают  в настоящее время, скорость «разлета»  галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10–20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик.

 

Самый серьезный удар по незыблемости Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными известным американским ученым Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек.

 

 

Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

1.2 Измерение и изучение Вселенной

В отличие от философских рассуждений  науке требуются факты, т.е. количественные измерения. Поэтому научные знания о Вселенной определяются используемыми  инструментами и единицами измерения.

Поскольку единственной постоянной величиной  во вселенной согласно теории относительности  является скорость света, для измерения  Вселенной используют две основные единицы:

световой год - расстояние, которое проходит свет в течение земного года (при скорости света 300000 км в секунду это расстояние составит 9460 млрд. км);

парсек - (параллакс в секунду) равен 3026 светового года, или 3,09 ·10¹³ км.

Ближайшие звезды - Проксима Центавра, альфа - Центавра А и В, Бернарда - расположены на удалении от 1032 до 1,81 парсек от Земли, поэтому полет к ним со скоростью света занял бы 4-5 лет, а при существующих скоростях ракет (8 км в секунду) такой полет занял бы 150000 лет. Поэтому при существующих технологиях перемещения в космическом пространстве ни они к нам, ни мы к ним скоро добраться не сможем.

 

Огромные расстояния обусловливают  единственный возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации  излучений, хотя в этом случае ясно, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который  шел на источнике излучений несколько  лет или десятков и даже сотен  лет назад.

В настоящее время ученые научились  фиксировать следующие типы излучений:

1) Свет (излучения в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека), длина волны около 10^-10 м;

2) Длинноволновое:

· инфракрасное излучение с длиной волны от 10^-6 м до 1м сантиметра;

· микроволновое излучение (от 1 сантиметра до 1 метра);

· радиоволны (от 1 метра и более).

3) Коротковолновое:

· ультрафиолетовое излучение;

· рентгеновское излучение;

· гамма-излучение;

· космические лучи.

Фиксация излучений осуществляется с помощью различных типов  телескопов, наиболее распространенными  из которых являются оптические телескопы. Поэтому вселенная до 30-х годов XX в. была исследована лишь в оптическом диапазоне излучений.

 

В 1932 г. молодой радиоинженер Карл Янский, работавший в компании «Белл телефон» и занимавшийся конструированием межконтинентальных радиотелефонных систем, обнаружил постоянный внеземной источник радиопомех. Оказалось, что он совпадает с наиболее яркими областями полосы Млечного пути. Позже Грот Рибер построил первый радиотелескоп и составил радиокарту неба. Так началась радиоастрономия.

Еще позже были изобретены инфракрасные телескопы, регистрировавшие инфракрасное излучение. Благодаря установке особой аппаратуры на ракеты и спутники Земли оказалось возможным зафиксировать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения космоса.

Последний вид излучения (космические  лучи) представляет собой элементарные частицы (электроны, протоны, ядра углерода, железа), которые движутся так быстро, что проникают через любые  тела, включая Землю в целом. Зафиксировать  их можно по следам, оставляемым  в специальных ловушках (например, пластинках с ядерной эмульсией).

Изучение излучений привело  к открытию таких экзотических космических  объектов, как квазары, пульсары, мазары и т.д. Оказалось возможным изучать  химический состав космических объектов, скорость и направления их перемещения.

Одним из наиболее интересных открытий стало открытие красного смещения, т.е. смещения спектральных линий объекта  в красную часть спектра (где  длина волн больше, чем в синей  части). Это свидетельствует о  том, что наблюдаемый объект удаляется  от наблюдателя. Поскольку все наблюдаемые  объекты имеют красное смещение, астрономы делают вывод об их удалении от Земли и приходят к теории большого взрыва («разбегающейся») Вселенной  как единственному способу разумного  объяснения феномена красного смещения.

 

2. Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала так называемая теория стационарного  состояния Вселенной, согласно которой  Вселенная всегда была почти такой  же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались  их классификации, что было, конечно, важно. Но вопрос об эволюции Вселенной  не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие  постулаты Мостепаненко А. М. Методологические и философские проблемы современной  физики. - Л., 1997.:

Вселенная - это всесуществующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как 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.

• Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна.

 

 

 

 

2.1. Теория относительности

Частная теория относительности – это основа физического учения о пространстве, времени и движении. В её рамках пространство и время удается объединить. Частная теория относительности позволяет в самом общем виде и весьма простыми средствами представить физическое учение о движении как проявление геометрии пространства-времени. Частная теория относительности изучает свойства пространства-времени, «справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения», то есть специальная теория рассматривает инерциальные системы отсчета.

Инерциальной называется система  отсчета, в которой справедлив закон  инерции: материальная точка, когда  на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя  или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также  инерциальная.

В основе теории относительности лежат  два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета («все системы отсчета  одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими»), и закон распространения света  постоянство скорости света в  вакууме, ее независимость от скорости движения источника света.

 

Эти два постулата определяют формулы  перехода от одной инерциальной системы  отсчета к другой – это преобразования Лоренца (преобразования описывают  связь между координатами и временем конкретного события в двух различных  инерциальных системах отсчета):

,

 

где с-параметр преобразования, имеющий  смысл предельной скорости движения и, соответственно, равный скорости света  в вакууме.