Происхождение Вселенной

Верхнекамский филиал

Негосударственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Пермский институт муниципального управления

(Высшая школа приватизации  и предпринимательства)»

НОУ ВПО ПИМУ (ВШПП)

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема «Происхождение Вселенной»

 

 

                                                                                    Выполнила:

студентка

гр. ПБГ-13-5

Овчинникова Е.В.

 

Проверил:

д.ф.н., Поросенков С.В.

 

Дата сдачи_______

 

Оценка__________

 

 

 

 

 

 

 

Березники 2014г.

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир. С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Одной из наук изучающей происхождение Вселенной является Концепция современного естествознания. Многие ученые изучают этот вопрос.

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Цель моей работы рассмотреть вопрос о происхождении Вселенной.

Задача изучить модели и концепции происхождения Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Концепции происхождения  Вселенной

 

Существующие модели и концепции происхождения Вселенной можно разделить на три группы: концепции классической науки, концепции как космологические следствия теории относительности и концепции, основанные на принципах синергетики (synergetika) в качестве ведущего направления развития постнеклассической науки. Немецкий физик Г. Хакен (р. 1927), основатель института Синергетики в Штутгарте (Германия), предложил синергетику в качестве главного направления развития постнеклассической науки. Синергетика в буквальном переводе с греческого языка означает совместные действия. Основные принципы синергетики сформулированы Г. Хакеном следующим образом:

1. Существуют общие законы  развития сложных систем во  времени.

2. Все самоорганизующиеся  системы являются открытыми системами.

3. Между составляющими  их элементами господствуют связи  нелинейного, неравновесного и необратимого во времени характера.

4. Все самоорганизующиеся  и развивающиеся системы приходят  со временем к неустойчивому  состоянию.

5. Выход систем, о которых  говорилось выше, из неустойчивого  состояния происходит случайным  образом, не нарушая универсальные  законы природы.

6. В живом и в материальном  мире в целом асимметричные  и неожиданные сценарии становления  и развития событий являются  механизмом эволюции Вселенной.

Ниже приведены термины, значение которых важно иметь в виду для понимания концепций эволюции Вселенной.

Метагалактика (греч. meta — после, сверх и galaktikos — млечный, молочный) — доступная наблюдению часть мироздания на основе непосредственных и косвенных методов изучения. На современном уровне горизонт Метагалактики, доступный наблюдению с помощью телескопов космического и наземного базирования, составляет более 1028 м.

Вселенная — вся система мироздания, включающая Метагалактику и все выходящее за ее пределы. Космология (греч. kosmos — упорядочный мир, logos — наука) — наука о наиболее общих пространственно-временных свойствах Вселенной. Космогония (в буквальном переводе с греческого языка означает происхождение космоса) — раздел астрономии о происхождении объектов и их систем во Вселенной. Скорость света — 300 тыс км/с. Световой год — 9,46 · 1012 км, т. е. 9,46 трлн км. Это расстояние свет проходит за 365,24 земных суток. 1 пс (парсек) — 3,26 световых лет, т. е. 31 трлн км, 1 кпс (килопарсек) — 1000 пс, 1 Мпс (млн парсек).

Термин «парсек» образован от греческих слов «параллакс» (отклонение) и «секунда». Он означает в буквальном переводе на русский язык отклонение на одну секунду дуги. Один парсек (1 пс) — это расстояние, с которого мысленно можно увидеть средний радиус земной орбиты вокруг Солнца под углом, равным 1 секунде дуги. Этот метод вычисления расстояния в астрономии был предложен Н. Коперником. Измерение проводится с двух концов известной длины отрезка: направленные на объект линии из концов этого обрезка образуют треугольник. Два прилежащих угла и длина основания треугольника позволяют рассчитать размеры треугольника. Чем больше длина основания треугольника, тем точнее измерение. Если измерять положение одной и той же звезды относительно других звезд в двух противоположных точках орбиты Земли вокруг Солнца в течение года, можно зафиксировать незначительное смещение ее местоположения. Это смещение называется параллактическим, а угол, на котором произошло смещение, называется параллаксом. Соответствие между временными и геометрическими единицами измерения: 360° — 24 часа, 15° — 1 час, 15' — 1 минута, 1" — 4 секунды. Расстояние от Земли до Солнца, равное приблизительно 150 млн км, называется в астрономии астрономической единицей расстояния (1 а. е.).

2. Модели происхождения Вселенной.

2.1. Модель расширяющейся Вселенной

Одной из наук занимающейся изучением происхождения Вселенной является Космология.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

1) свойства Вселенной  одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);

2) наилучшим известным  описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна.

Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных  системах все законы сохраняются  вне зависимости от того, с  какими скоростями, равномерно и  прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

2) экспериментально подтвержденным  постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.- М., 1981. - С. 30).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума»1.

2.2. Релятивистская модель Вселенной

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу. При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен, хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь, все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый2.

 

2.3. Модель «Инфляционной Вселенной».

Термин «инфляция» (лат. «inflation») трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10-30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 1050 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие инфлатонного поля. Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.

Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10-30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:

1) t — 10-45 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10-50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» — 10-43 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10-50 с;