Эволюционные процессы в микромире (Вселенная)

Псковский Государственный  Университет

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

тема 16: «Эволюционные процессы в микромире (Вселенная)».

 

 

 

 

факультет: менеджмент

группа: 0011-05

студент: Александрова А.В.

проверил преподаватель:

 

Псков

2013г.

Содержание: 

Введение.

1. Основные космологические гипотезы и их развитие от древности до наших дней.
2. Модель нестационарной Вселенной Эйнштейна – Фридмана.
3. Концепция «Большого взрыва» и хронология первых минут «жизни» Вселенной.

Заключение

4. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Человечество всегда интересовалось всем, что окутано тайнами, а самым  большим вместилищем неизведанного является Вселенная. Вселенной является весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. И, естественно, всегда было интересно узнать, с чего же всё началось? Поиск ответа на данный вопрос остаётся актуальным и в наше время, а проблема эволюции Вселенной занимает центральное место в естествознании. Соответственно сложилось множество различных концепций, старающихся объяснить данное явление.

Используя достижения различных  наук, таких, как физика, математика, философия, возникла новая наука  – космология. Это совокупность накопленных теоретических положений  о строении вещества и структуре  Вселенной, как цельного объекта, так  и отдельные научные знания охваченного  астрономическими наблюдениями мира как  части Вселенной. Предметом космологии является весь окружающий нас мегамир, а задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции вселенной. В Новое время, кстати, зарождается космогония — наука о происхождении и развитии космических тел и их систем.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир  галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую  распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие  о том, что Вселенная непрерывно развивается.  Естественно встает вопрос: было ли у Вселенной начало, и что было таким «началом», каков возраст Вселенной, будет ли конец ее существованию?

 

 

1. Основные космологические гипотезы и их развитие от древности до наших дней.

На протяжении всей истории  цивилизации человечество стремится  познать окружающий мир и понять, какое место оно занимает во Вселенной. Вселенная - самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» - так сказано в библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания ХХ в. не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы.

Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти).

В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты  возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и  процесс рождения самой Вселенной.

Происхождение, эволюция и  устройство Вселенной как целого изучаются космологией. Слово «космология» происходит от греч. kosmos – вселенная и logos – закон. Уже древние мудрецы задались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной, поэтому космология – учение о строении мира – и космогония – учение о происхождении мира – были неотъемлемым компонентом философских систем древности.

Космого́ния (греч. kosmogonia происхождение мира) – область науки и философии, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звезд и звездных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел – Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов. Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используются законы физики и химии.

Современная космология –  это раздел астрономии, в котором аккумулированы научные данные физики и математики и универсальные философские принципы, космология представляет собой синтез научных и философских знаний. Именно этим определяется ее специфика. Выводы космологии почти полностью обусловлены теми философскими принципами, на которые опирается исследователь. Дело в том, что размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически трудно проверяемы и существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космолог движется от теории к практике, от модели к эксперименту, в этом случае роль исходных философских и общенаучных оснований существенно возрастает. Именно поэтому космологические модели радикально различаются между собой – в их основе лежат разные, порой конфликтующие мировоззренческие принципы. Понятно, что религиозная космология будет серьезно отличаться от космологии, построенной на материалистических мировоззренческих основаниях. В свою очередь любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т. е. изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе. Таким образом, можно сказать, что современная космология – это не только «физика», но и «философия», а иногда и «религия».

Классические космологические  представления, сутью которых было утверждение абсолютности и бесконечности  пространства и времени, а также  неизменности и вечности Вселенной, сталкивались с двумя неразрешимыми  парадоксами – гравитационным и  фотометрическим. Гравитационный парадокс заключался в противоречии между исходными постулатами о бесконечности Вселенной и ее вечности. Так, если предположить бесконечность мира, то необходимо также признать и бесконечность действующих в нем сил тяготения. Бесконечность сил тяготения между небесными телами должна была бы привести к коллапсу, т. е. Вселенная не могла бы существовать вечно, а это противоречит постулату о ее вечности. Фотометрический парадокс также вытекает из постулата бесконечности Вселенной. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба также должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

По мнению американского  физика С. Вайнберга (1933–1996), теория возникновения галактик представляет собой одну из самых трудных проблем астрофизики, проблем, еще очень далеких от разрешения.

Парадоксы классической науки  разрешаются в современной релятивистской космологии.

Предположения А. Эйнштейна.

Тем не менее, принято считать, что основные положения современной  космологии - науки о строении и  эволюции Вселенной - начали формироваться  после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние  Вселенной и, как показали астрофизические  наблюдения, оказалась неверной.

Выводы А.А. Фридмана.

Важный шаг в решении  космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888-1925). В результате решения  космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может, находится  в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться.

Эмпирический  закон - закон Хаббла.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил Эмпирический закон - закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т. е. V=Hr, где H - постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается - разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км\с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год - это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год)(1 свет.год = 9,46 * 10¹⁵м). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни  Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта - граница  познания Вселенной посредством  астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла - мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 10 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной  происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной  капли. В настоящее время обсуждается  и другая гипотеза - гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными  пределами плотности. Из нее следует, что некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем  сейчас, и были периоды, когда Вселенная  сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей  скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

В 1927 г., бельгийский католический священник, астроном и математик, один из авторов теории расширяющейся Вселенной, работавший в области теории Большого Взрыва,  Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходное состояние Вселенной. Ж. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10-12см, а ее плотность– 1096г/см3, т. е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообьект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

В 1965 г. Хокинг Стивен (род. 1942), английский физик-теоретик, один из наиболее влиятельных в научном смысле и известных широкой общественности физиков-теоретиков нашего времени, работающий в области теории гравитации, математической физики и космологии, математически обосновал необходимость состояния сингулярности (начальное сверхплотное состояние Вселенной) в любой модели расширяющейся Вселенной. С 1979 г. по 2009 г. С. Хокинг занимал должность Лукасовского профессора математики в Кембриджском университете (должность лукасовского профессора была учреждена в 1663 году на средства преподобного Генри Лукаса, который был членом парламента от университета), должность, которую три столетия назад занимал Исаак Ньютон.

Гипотезы Г.А. Гамова.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются  различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40_х гг. ХХ в. Г. А. Гамовым (1904-1968), физиком - теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следует два вывода:

- вещество, из которого  зарождались первые звезды, состояло  в основном из водорода (75 %) и  гелия (25 %);

- в сегодняшней Вселенной  должно наблюдаться слабое электромагнитное  излучение, сохранившее память  о начальном этапе развития  Вселенной, и поэтому названное реликтовым.

Реликтовое излучение  А. Пензиса и Р. Вильсона.

С развитием астрономических  средств наблюдения, и в частности, с рождением радиоастрономии, появились  новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон экспериментально обнаружили реликтовое излучение. Реликтовое излучение - это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего  этапа эволюции Вселенной. В лаборатории  европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние  материи - кварк - глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.