Реферат: Строение и эволюция Вселенной
Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный открытый университет
Кафедра Менеджмента и экономической политики
Контрольная работа
По дисциплине: Концепция современногоестествознания.
На тему: Строение и эволюция Вселенной.
Выполнил: студент 1курса
Специальность 06.11.00
Поносова Наталья .
Сергеевна .
9012431
Проверил:
Нижневартовск
2001
Строение и эволюция Вселенной
Космологические модели Вселенной.Поскольку гравитационные взаимодействия являются доминирующими на мега-уровнеорганизации материи, космологические модели Вселенной должны строится всоответствии с требованиями Теории Относительности на основе реальнонаблюдаемых астрофизических явлений:
1. Однородность иизотропности космического пространства.
2. Конечная интенсивностьсветового потока, приходящего из космоса.
3. Красное смещение вспектрах излучения далеких звезд.
4. Существование реликтового излучения(однородного и изотропного фона электромагнитных волн, соответствующеготемпературе ок. 3К).
Конечное количество света, приходящего отзвездного неба, заставляет отвергнуть классические представления о бесконечномкосмическом пространстве, однородно заполненным звездами. Предпринимаемые врамках классической концепции попытки построения космологических моделей снеоднородным распределением звезд в пространстве находятся в противоречии састрономическими наблюдениями (неоднородность в концентрации звезд наблюдаютсятолько на “относительно малых” космических масштабах вплоть до межгалактических скоплений).
А.Эйнштейном была предложена модельВселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующимимассами приводит к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой попространственным координатам. В этой цилиндрическоймодели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномернотечет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была усовершенствована голландскимастрофизиком Виллем де Сеттером, предположившим на основании наблюдаемогокрасного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно(искривление по временной координате) — модельзамкнутой гиперсферы… Обе эти стационарныемодели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположитьсуществование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Вселеннойпод действием гравитирующих масс, проблема “утилизации” света, испущенногозвездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.
На сегодняшний день наиболее популярнапредложенная Фридманом модельрасширяющейся Вселенной (красноесмещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нетнеобходимость во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобальноискривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются ее две модификации:
1. Замкнутая модель (геометрический аналог — расширяющаясягипресфера) предсказывает постепенное замедление расширения вследствиеторможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию.
2, Открытая модель (геометрический аналог -”седло”)замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго.
В настоящее время предпочтение отдаетсяоткрытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной,сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, чтогравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростьюраз бегание. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели приналичии в космосе скрытых масснесветящегося вещества (например за счет ненулевой массы покоя нейтрино).
УравненияОбщей Теории Относительности оказались весьма “гибкими” и допускают наличиебольшого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временногоразвития.
Проблема Большого Взрыва. Наличие разбегания галактик в настоящее время требует предположения о том, что в прошломвещество Вселенной было более плотным. Экстраполяция наблюдаемых скоростей назначительно более ранние периоды позволяет ценить время, когда это расширениеначалось (из точки???) в результате БольшогоВзрыва — ок. 25 млд.лет назад. Известные на сегодняшний день законыфизики позволяют воспроизвести достаточно правдоподобный сценарий расширения,начиная с нескольких тысячных секунды после Большого Взрыва (что происходило доэтого, напр. предшествовало ли ему сжатие предыдущего цикла, на современномэтапе развития естествознания не обсуждается, поскольку не может быть хотя быкосвенно проверено на эксперименте).
Горячая Вселенная. В первые моментытемпература вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишьсамые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширениегорячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже на первых секундахрасширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих ввиде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, надолю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. Т.о. на раннейстадии, длящейся около 1 млн. лет во вселенной преобладали электромагнитные иядерные взаимодействия.
Спустя указанный срок температура упала довеличины, допускающей рекомбинациюэлектронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого моментавзаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, доминирующаяроль перешла к гравитации. Возникшее на стадии горячей Вселенной и постепеннойостывающее в результате ее расширения излучение дошло до нас в виде реликтового фона.
Холодная Вселенная. На последующей стадии “холодной” Вселенной нафоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газастали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседнихобластей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизация вещества воВселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейными уравнениямигравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистойструктуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало быдущим галактиками звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложныхуравнений гирдро-газодинамики- теории нестационарного движения вещества и до сих пор удовлетворительно неразработан. Достаточно ясно, что в результате гравитационного сжатиявыделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогревуводородного топлива до температур, достаточных для начала термоядерных реакцийводородного цикла.
Эволюция звезд. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной- в ней доминируют реакции водородного цикла. Температура звезды определяетсяее массой и степенью гравитационного сжатия, которому противостоит главнымобразом световое давление.Звезда образует относительно устойчивую колебательную систему, ее периодическиеслабые сжатия и расширения определяют звездныециклы. По мере выгорания водорода в центре звезды, ее гелиевое ядроостывает, а зона протекания реакции синтеза перемещается на периферию. звезда“разбухает”, поглощая планеты ее системы, и остывает, превращаясь в красного гиганта.
Дальнейшее сжатие гелиевого ядра поднимаетего температуру до зажигания реакций гелиевого цикла. Водородная оболочкапостепенно рассеивается, образуя звезднуютуманность, а сильно сжатое ядро раскаляется до высоких температур,соответствующих свечению бело-голубым светом (“белый карлик”). по мере выгорания топлива звезда угасает,превращаясь в устойчивого “черного карлика” — характерный итог эволюциибольшинства звезд с массой, порядка солнечной.
Более массивные звезды (<img src="/cache/referats/5032/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">сверхновыезвезды”). После выгорания их ядер сил давления в плазме оказываетсянедостаточным для компенсации гравитационных сил. В результате уплотнениявещества электроны “вдавливаются” в протоны с образованием нейтральных частиц.Возникает нейтронная звезда — весьма компактное (радиус в несколько километров) и массивное образование,вращающееся с фантастически высокой для космических объектов скоростью: околоодного оборота в секунду. Вращающееся вместе со звездой его магнитное полепосылает в пространство узконаправленный луч электромагнитного (часто-рентгеновского) излучения, действуя подобно маяку. Источники мощного периодическогоизлучения, открытые в радиоастрономии, получили название пульсаров.
Звезды с массой, превосходящей массуСолнца более, чем в два раза, обладают столь сильным гравитационным полем, чтона стадии нейтронной звезды их сжатие на останавливается. В результатедальнейшего неограниченного сжатия — гравитационногоколлапса звезда уменьшается до таких размеров, что скорость,необходимая для ухода тела с ее поверхности на бесконечность превышаетпредельную (скорость света). При этом ни одно тело (даже свет) не может покинутнепрерывно сжимающуюся звезду, представляющую собой “черную дыру”, размерами всего в несколько километров.Существование черных дыр допускают уравнения Общей Теории Относительности. В области черной дыры пространство-времясильно деформированы.
Астрономические наблюдения затруднены,поскольку такие объекты не излучают свет. Однако обнаружены звезды, совершающиедвижение, характерное для компонент двойных звезд, хотя парной звезды ненаблюдается. Весьма вероятно, что ее роль играет черная дыра или не излучающаянейтронная звезда.
Помимо перечисленных обнаружен рядастрофизических объектов, свойства которых не укладываются в приведенные схемы- квазары. Наблюдаемое ихизлучение аналогично пульсар ному, но очень сильно смещено в красную область.Величина красного смещения указывает на то, что квазары находятся так далеко,что их наблюдаемая яркость соответствует излучению, превосходящему поинтенсивности излучения галактического скопления. В то же время наличие быстрыхизменений интенсивности ставит вопрос о механизме согласования излученияэлементами системы, размеры которой должны составлять тысячи световых лет.
Структура вселенной.
Вселенной на самых разных уровнях, отусловно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, в ходекоторой из протогалактик образовались галактики, из протозвёзд — звёзды, изпротопланетного облака — планеты.
Галактика — гигантская система, состоящая изскоплений звёзд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.
По формегалактики условно разделяются на 3 типа :
1) Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида сразной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре:распределения звёзд равномерно убывает от центра.
2) Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральныеветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и нашаГалактика — Млечный путь.
3) Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствуетцентральное ядро.
Некоторыегалактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящемвидимое излучение. Это радиогалактики.
В строение«правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро исферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей,либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звёзды имассивные газовые облака.
На современномэтапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звёздномсостоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звёздах,представляющих собой гигантские плазменные образования различной величенытемпературы, с различной характеристикой движения.
Возраст звёздменяется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд.лет, соответствующихвозрасту Вселенной, до сотен тысяч — самых молодых.
Огромноезначение имеет исследование взаимосвязи между звёздами и межзвёздной средой,включая проблему непрерывного образования звёзд из конденсирующейся диффузнойматерии.
Рождение звёздпроисходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитныхи других сил. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходитв недрах звёзд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловилхимическую эволюцию вещества во Вселенной.
В недрах звёздпри температуре порядка 10 млн.град. ипри очень высокой плотности атомынаходятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютновсе отдалены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействия друг сдругом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звёзд,превращаются при участии углерода в гелий.
Огромнаяэнергия, излучаемая звёздами образуется в результате ядерных процессов,происходящих внутри звёзд. Те же силы, которые высвобождаются при взрывеводородной бомбы, обрзуют в нутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свети тепло в течении миллионов и миллиардов лет за счёт превращения водорода вболее тяжёлые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на совершающем этапеэволюции звезды превращаются в инертные («мертвые»).
Звёзды несуществуют изолированно, а образуют систему. Простейшие звёздные системы — такназываемые кратные системы состоят из двух, трёх, четырёх, пяти и больше звёзд,обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных системокружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому,являются сами звёзды, выбрасывающие её в пространство в виде мощного потокагазов.
Звёздыобъединены также в ещё большие группы — звёздные скопления, которые могут иметь«рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звёздные скопления насчитываютнесколько сотен отдельных звёзд, шаровые скопления — многие сотни тысяч.
Ассоциации,или скопления звёзд, также не являются неизменными и вечно существующими. Черезопределённое кол-во времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваютсясилами галактического вращения.
Самая большаятрудность возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отброситьчастности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюциюВселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.
Для концепциисамоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, иникакой другой реальности помимо её не существует. Эволюция Вселеннойописывается в терминах самоорганизации: идёт самопроизвольное упорядочиваниесистем в направлении становления всё более сложных структур. Динамичный хаоспорождает порядок.
В рамкахконцепции креационизма, т.е. творение, эволюция Вселенной связывается среализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чемматериальный мир.
Численныезначения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной, размеры атома, атомных ядер, планет, звёзд,плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались отсуществующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь быланевозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была быневозможна. От сюда делается вывод, что физическая структура Вселеннойзапрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космическойэволюции — появление человека во Вселенной в соотвецтвии с замысламиТворца.
Списокиспользуемой литературы
Концепциясовременного естествознания Л.И. Булычева.