Geum.ru

Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Красное смещение.
Теория «Большого взрыва».
Теория инфляции.
Подобный материал:
1   2   3
Глава 5: Основная концепция космологии.


Космология – учение о вселенной. Наши знания о вселенной основаны на астрологических наблюдениях, и предположениях о том, что законы, открытые на земле, можно применять ко всей вселенной. Целенаправленные астрономические наблюдения ведутся, без малого, 400 лет.

Начиная с 1931 года, за космосом ведутся радионаблюдения. Накоплено мало информации, чтобы делать однозначные выводы о возникновении и эволюции Вселенной, поэтому ряд концепций космологии является гипотезой и нуждается в экспериментальной проверке.

§1: Строение и масштабы вселенной.


Самыми распространёнными материальными объектами Вселенной являются звёзды. Невооружённым глазом в безлунную ночь на чистом небе можно одновременно наблюдать до 3000 звёзд.

Некоторые звёзды имеют свои имена. Составлены каталоги на несколько миллионов звёзд. Звёзды распределены на небе неравномерно.

Комплексные группы звёзд в ограниченной области неба называют созвездиями. Особенность созвездий состоит в том, что с течением времени они почти не изменяют свою конфигурацию. Некоторые созвездия сохранили свои названия с глубокой древности. Часть названий связана с героями мифов Древней Греции. Некоторые названия связаны с предметами, на которые похожи фигуры, образуемые яркими звёздами созвездия. Есть те, что названы в честь животных.

Во втором веке до нашей эры весь путь Солнца за один земной год поделили на 12 равных частей. В каждой части было своё созвездие. Эти созвездия назвали зодиакальными.

Каждый месяц обозначили знаком того созвездия, в котором Солнце в течение этого месяца находится.

Гигантские созвездия, включающие в себя до несколько сотен миллиардов звёзд, называются галактиками. Кроме звёзд в состав галактик входят туманности.

Галактики делятся на три группы:

1 – Эллиптические

2 – Спиральные

3 – Галактики неправильных форм

Наша Галактика содержит около 150 миллиардов звёзд. 95% звёзд нашей галактики сосредоточены вблизи галактической планеты. Расстояние между звёздами значительно больше размеров самих звёзд.

Космическое пространство сильно разрежено. Расстояние между галактиками сопоставимо с размерами самих галактик. Измерение расстояний в системе СИ бессмысленно. Для реального измерения существуют:

1 – А.Е. – среднее расстояние от Солнца до Земли  150 миллионов км.

2 – Световой год – такое расстояние, которое луч света, распространяясь в вакууме, проходит за один земной год.

3 – Парсек (ПК) – единица измерения, произошедшая от двух слов: параллакс и секунда. Параллакс – отклонение. Им называют кажущееся или видимое смещение предметов при смещении точки наблюдения.

Различают 3 типа параллакса: суточный параллакс, годичный параллакс, вековой параллакс

1 ПК – Такое расстояние, из которого средний радиус орбиты Земли виден род углом в одну секунду.


§2: Эволюция Вселенной.


Мыслители во все времена занимались вопросами, которые условно делились на две группы:

1 – Как изменяется (эволюционирует) Вселенная с течением времени? Всегда ли существовала вселенная в прошлом, и будет ли вечно существовать в будущем?

2 – Как устроена Вселенная в пространстве? Есть ли у неё край, и существует ли центр Вселенной?

Все существующие концепции Вселенной основаны на положениях общей теории относительности. Эта теория была создана Эйнштейном в 1916 году. В основе этой теории лежит предположение о том, что вблизи массивных тел происходит искажения пространства времени. Общая теория относительности является альтернативой закону всемирного тяготения. Искривление пространства времени определяет положение тела.

Эйнштейну удалость построить уравнения, которые устанавливают связь между массой тела и кривизной пространства времени. Первую модель Вселенной построил именно Эйнштейн. Он проанализировал общую теорию относительности применительно Вселенной и обнаружил, что эти уравнения не имеют стационарных решений. Подправив уравнения, он построил стационарную модель Вселенной. По его модели Вселенная существует вечно и она бесконечна.

В 1922 году Флигман А.А. решил уравнения общей теории относительности применительно Вселенной. Он установил, что Вселенная не может быть стационарной. Она либо сжимается, либо расширяется. Одновременно она пульсирует.

В 1929 году Хаббл публикует работу «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей».





Проекция скорости движения источника света на направление наблюдения – лучевая скорость.

Далёкие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удалению от нас. Чем дальше галактика, тем больше её скорость.

V = H0r, где H0 – постоянная Хаббла = 50 км/ч/мПк.

К этому выводу Хаббл пришёл, наблюдая красное смещение в спектрах наблюдения галактик.

Красное смещение.

В 1842 году Доплер открыл эффект Доплера. Он установил, что если источник электромагнитных волн приближать к приёмнику излучения, то длина волны уменьшается. Это называется фиолетовое смещение.



Если источник удаляется от приёмника, то длина волны увеличивается. Это называется красным смещением.




 = V/c


Хаббл увидел красное смещение, значит, источник удаляется от приёмника. Следовательно, мы живём в расширяющейся Вселенной. Все теории эволюции Вселенной основаны на модели расширяющейся Вселенной и на реликтовом излучении.

Это излучение было открыто в 1965 году американскими радиоинженерами. Реликтовое излучение изотропно заполняет всё пространство Вселенной.

Согласно модели расширяющейся Вселенной, Вселенная конечна, но безгранична. И у неё нет центра. Из любой точки Вселенной мы будем наблюдать одну и ту же картину – красное смещение в спектре смещения галактик.

Сфера, радиусом в 12,5 миллиардов световых лет, - сфера Хаббла. Излучение галактик, находящихся за сферой Хаббла, до нас никогда не дойдёт.

Учёные-астрофизики полагают, что Вселенная существует конечное время и имеет конечные размеры.

Теория «Большого взрыва».

Наиболее реалистичная теория происхождения Вселенной – теория «Большого взрыва», которую выдвинул Георгий Антонович Гамов.

Изначала была точка (10-33 см), в которой была сконцентрирована сверхплотная материя. Произошёл взрыв, высвободивший сверхплотное излучение в 1093 г/см3.

Дальнейшие периоды были названы эрами:

1 – Адронная эра (10-35с – 10-6с)

В это время за счёт высокой энергии фотонов рождались тяжёлые частицы и их античастицы. Вместе с рождением шёл процесс аннигиляции.

2 – Лентомная эра

Появлялись электроны, позейтроны и нейтрино. Шёл процесс аннигиляции тяжёлых частиц. Продолжительность периода составляла от 10-6с до 1 секунды. Не всем тяжёлым частицам хватило античастиц. Из 1 миллиардной доли тяжёлых частиц состоит Вселенная. Постепенно идёт перераспределение энергии. Излучение начинает отделяться от вещества.

3 – Фотонная эра

Период от 1 до 10 секунд. Происходит окончательное отделение излучения от вещества. Это излучение и есть реликтовое излучение.

4 – Эра первичного нуклеосинтеза.

Начинают образовываться первые атомные ядра. С 10 секунд дол 3 минут.

5 – Формирование звёзд.

Около миллиона лет.

Теория инфляции.

Существует две модели эволюции Вселенной: модель открытой Вселенной и модель закрытой Вселенной.

кр  510-27 г/м3

Если >кр, то работает модель замкнутой Вселенной. Согласно этой модели через 25 миллиардов лет расширение Вселенной прекращается. Наша Вселенная появилась 15 миллиардов лет назад. Затем Вселенная начнёт сжиматься до прихода в точку, затем начинается повторный процесс расширения.

Если <кр, то гравитационные силы будут малы и расширение никогда не остановится. Через 1015 лет звёзды остынут. Через 1019 лет они покинут свои галактики. В дальнейшем в результате радиоактивного распада всё вещество Вселенной превратится в железо. Через 1067 лет все эти тела превратятся в нейтронные звёзды и чёрные дыры, которые в дальнейшем испарятся. Затем Вселенная уничтожается.