Эволюция Вселенной, понятие космологии

Министерство сельского  хозяйства

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования  Новосибирского государственного аграрного  университета

Факультет Государственное  и муниципальное управление

Направление Государственное  и муниципальное управление

Кафедра Сервиса недвижимости

 

 

Контрольная работа

По дисциплине « КСЕ»

На тему: «Эволюция Вселенной, понятие космологии»

 

 

 

                                                                                         Выполнила:

                                                                                         Ст. 8104 гр. 
                                                                                         Новикова Людмила

 

 

 

 

Новосибирск  2013

Содержание

 

Введение                                                                                                                   3 
1.Основные концепции космологии                                                                      4

2.Проблемы космологии                                                                                         6

3.Квантовая пена. Пересмотр  теории ранней Вселенной                                    8

4.Раздувающаяся Вселенная  Алана Гуса                                                            11

5.Принцип маятника                                                                                              12

Заключение                                                                                                             14

Список литературы                                                                                                15

Глоссарий                                                                                                               16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Казалось маловероятным, что эхо событий, происходивших  в первые миллисекунды рождения Вселенной, может дойти до нас. Однако это  оказалось возможным.

Космология, строение Вселенной, прошлое, настоящее и будущее нашего мира - эти вопросы всегда занимали лучшие умы человечества. И составители  Ветхого Завета, и древние философы из разных уголков света предлагали свои, порой эволюционные, варианты космологии, основанные на временной  шкале, и описывали некую последовательность событий в образах своего времени. Представления наших предков  не так уж кардинально отличаются от современных моделей, опирающихся  на данные современной наблюдательной астрономии, в первую очередь внеземной. Для дальнейшего развития космологии, да и науки в целом, крайне важно  понимание Вселенной как единого  целого. Особую роль играют экспериментальная  проверка абстрактных построений, подтверждение  их наблюдательными данными, осмысление и сопоставление результатов  исследований, адекватная оценка тех  или иных теорий. Сейчас мы находимся  на середине пути, который ведет  от решения уравнений Эйнштейна  к познанию тайны рождения и жизни  Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

1.Основные концепции космологии

Космология занимается изучением  физических свойств Вселенной как целого. В частности, ее целью является создание теории всей охваченной астрономическими наблюдениями области пространства, которую принято называть Метагалактикой. Как известно, теория относительности приводит к выводу о том, что присутствие больших масс влияет на свойства пространства - времени.

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. (Предположения А. Эйнштейна)¹

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 мал. 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). 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.

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.

(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 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 К².

2.Проблемы космологии

Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как  метафизические. Однако вопросы неизменно  возникали и требовали ответов.

Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В "Теоретической физике" Ландау и Лившица сказано, что решение  уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос "Что было до рождения Вселенной?" не имеет  смысла.

Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей  на поверхность сферы, линии, которые  были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так  прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется  настолько плоской (по последним  данным - с точностью до 10-60)? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой  Вселенная на самом раннем этапе  развития.

Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звезды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность  распределения вещества в космических  масштабах, окажется, что она одинакова  во всех направлениях с точностью  до 10-5. Почему же Вселенная везде  однородна? Вообще говоря, все объясняется  космологическим принципом Эйнштейна: каждый наблюдатель в один и тот  же момент времени, независимо от места  и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Но так ли это?

Сомнения возникали всегда, и  чем больше ученые узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались  о них не думать, воспринимая большую  однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Проблема реликтовых монополей стала последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной.

Космологический принцип был впервые  сформулирован немецким философом  Николаем Кузанским (1401-1464), который  еще в XV в. утверждал: "Вечно движущаяся Вселенная не имеет ни центра, ни окружности, ни верха, ни низа, она однородна, в разных частях ее господствуют одинаковые законы". Ему же принадлежит знаменитый афоризм: "Вселенная есть сфера, центр  которой всюду, а окружность нигде", который часто ошибочно приписывают  Джордано Бруно или Паскалю, всего  лишь повторившим изречение кузанца.

 

3.Квантовая пена. Пересмотр теории ранней Вселенной

Разработка инфляционных сценариев в космологии завершилась, по словам одного из авторов А.Д. Линде, созданием теории хаотической инфляции. В его сценарии становление Вселенной  описывается как случайное следствие  хаотического "кипения" пространственно-временной  квантовой пены. Процесс рождения вселенных в такой пене не только случаен и хаотичен, но и бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мертвыми, третьи лишены времени и развития, а четвертые заполняются галактиками, звездами, планетами и становятся подобны нашей Вселенной.

Пересмотр теории ранней Вселенной

Одна из трудностей, с которой  сталкивается традиционная теория Большого взрыва, - необходимость объяснить, откуда взялось колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. На этот и ряд других вопросов попытались ответить авторы теорий раздувающейся  Вселенной.

Инфляционная теория. В 1980 г. сотрудник  Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье "Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности" изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10-35 до 10-32 с. Гус предположил, что скорость расширения Вселенной была высока в течение более длительного времени, чем предполагалось ранее. Примерно через 10-35 с Вселенная перешла в состояние псевдовакуума, при котором ее энергия исключительно велика. Поэтому расширение (раздувание) происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва.

Через 10-35 с после рождения мира не было ничего, кроме черных мини-дыр  и "обрывков" пространства. При  резком раздувании участки "пены" превратились в отдельные вселенные. Некоторые из них, возможно, оказались  вложенными друг в друга. Следовательно, может существовать множество вселенных, недоступных для нашего наблюдения.

Инфляционная теория была основана на так называемой теории фазовых  переходов в ранней Вселенной. В  отличие от Стробинского, Гус придумал некий механизм и постарался с  помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также  почему монополей нет. Модель такого решения не давала. Так же трудно было объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. Несмотря на ряд противоречий и трудностей, модель Гуса стала значительным достижением  космологии и стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся  Вселенной.

Новая инфляционная теория. В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант  нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном  анализе фазовых переходов в  модели Великого объединения. Он пришел к выводу, что экспоненциальное расширение не заканчивается образованием пузырьков, а инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. (В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.)

В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих  неоднородности, стали не нужны, и  тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения  симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних  стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной  после фазового перехода. Спустя год  исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что  фазовые переходы не нужны, равно  как переохлаждения и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это  был эмоциональный шок, т.к. предстояло отказаться от считавшихся истинными  представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах, переохлаждении, которым соответствовали наблюдательные данные. Необходимо было найти новый  способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.