Реферат: Строение и эволюция Вселенной

Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный открытый университет

Кафедра  Менеджмента и экономической политики

Контрольная работа

  

      По дисциплине:Концепция современного естествознания.

      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 взаимодействияявляются доминирующими на мега-уровне организации материи, космологическиемодели Вселенной должны строится в соответствии с требованиями ТеорииОтносительности на основе реально наблюдаемых астрофизических явлений:

1. Однородность иизотропности космического пространства.

2. Конечнаяинтенсивность светового потока, приходящего из космоса.

3. Красное смещениев спектрах излучения далеких звезд.

4. Существование реликтовогоизлучения (однородного и изотропного фона электромагнитных волн,соответствующего температуре ок. 3К).

     Конечноеколичество света, приходящего от звездного неба, заставляет отвергнутьклассические представления о бесконечном космическом пространстве, однороднозаполненным звездами. Предпринимаемые в рамках классической концепции попыткипостроения космологических моделей с неоднородным распределением звезд впространстве находятся в противоречии с астрономическими наблюдениями(неоднородность в концентрации звезд наблюдаются только на “относительномалых”  космических масштабах вплоть до межгалактических скоплений).

     А.Эйнштейном былапредложена модель Вселенной, в которой локальные искривленияпространства-времени гравитирующими массами приводит к глобальному искривлению,делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрическоймодели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномернотечет от прошлого к будущему).  Впоследствии цилиндрическая модель былаусовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Сеттером, предположившимна основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частяхВселенной течет замедленно (искривление по временной координате) — модельзамкнутой гиперсферы… Обе эти стационарные модели Вселеннойимеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительныхвзаимодействий, препятствующих сжатию Вселенной под действием гравитирующихмасс, проблема “утилизации” света, испущенного звездами в предшествующиемоменты времени в замкнутое пространство.

     На сегодняшнийдень наиболее популярна предложенная Фридманом модель расширяющейся Вселенной (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нетнеобходимость во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобальноискривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются ее две модификации:

1. Замкнутаямодель (геометрический аналог — расширяющаяся гипресфера) предсказываетпостепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силамис последующим переходом к сжатию.

2, Открытаямодель (геометрический аналог -”седло”) замедляющееся расширение,происходящее бесконечно долго.

      В настоящеевремя предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотностивещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд,показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее снаблюдаемой скоростью раз бегание. Оценки могут существенно измениться в пользузакрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегосявещества (например за счет ненулевой массы покоя нейтрино).

     УравненияОбщей Теории Относительности оказались весьма “гибкими” и допускают наличиебольшого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временногоразвития.

     ПроблемаБольшого Взрыва. Наличие раз бегания галактик в настоящее время требуетпредположения о том, что в прошлом вещество Вселенной было более плотным.Экстраполяция наблюдаемых скоростей на значительно более ранние периодыпозволяет ценить время, когда это расширение началось (из точки???) врезультате Большого Взрыва — ок. 25 млд.лет назад. Известные насегодняшний день законы физики позволяют воспроизвести достаточноправдоподобный сценарий расширения, начиная с нескольких тысячных секунды послеБольшого Взрыва (что происходило до этого, напр. предшествовало ли ему сжатиепредыдущего цикла, на современном этапе развития естествознания не обсуждается,поскольку не может быть хотя бы косвенно проверено на эксперименте).

     ГорячаяВселенная. В первые моменты температура вселенной была столь высока, что в неймогли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино ит.д. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже напервых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов,существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом иизлучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной.Т.о. на ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет во вселенной преобладалиэлектромагнитные и ядерные  взаимодействия.

     Спустяуказанный срок температура упала до величины, 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 реликтовогофона.

     ХолоднаяВселенная.  На последующей стадии “холодной” Вселенной на фоне продолжающегосярасширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны егоуплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще большеусиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизациявещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейнымиуравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабнойквазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшаяфрагментация дала начало быдущим галактикам и звездам. Анализ деталей этогопроцесса возможен на основании весьма сложных уравнений 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.

     Эволюциязвезд.  Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакцииводородного цикла. Температура звезды определяется ее массой и степеньюгравитационного сжатия, которому противостоит главным образомсветовоедавление. Звезда образует относительно устойчивую колебательнуюсистему, ее периодические слабые 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 красногогиганта.

     Дальнейшее сжатиегелиевого ядра поднимает его температуру до зажигания реакций гелиевого цикла.Водородная оболочка постепенно рассеивается, образуя звездную туманность,а сильно сжатое ядро раскаляется до высоких температур, соответствующихсвечению бело-голубым светом (“белый карлик”). по мере выгораниятоплива звезда угасает, превращаясь в устойчивого “черного карлика” — характерный итог эволюции большинства звезд с массой, порядка солнечной.

     Болеемассивные звезды (/>) на этапепревращения в белого карлика теряют водородную оболочку в результате мощноговзрыва, сопровождающегося многократным увеличением светимости (“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 внесколько километров) и массивное образование, вращающееся с фантастическивысокой для космических объектов скоростью: около одного оборота в секунду.Вращающееся вместе со звездой его магнитное поле посылает в пространствоузконаправленный луч электромагнитного (часто- рентгеновского) излучения,действуя подобно маяку. Источники мощного периодического излучения, открытые врадиоастрономии, получили название пульсаров.

     Звезды смассой, превосходящей массу Солнца более, чем в два раза, обладают стольсильным гравитационным полем, что на стадии нейтронной звезды их сжатие наостанавливается. В результате дальнейшего 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 допускаютуравнения Общей Теории Относительности.  В области черной дырыпространство-время сильно деформированы.

    Астрономические наблюдения затруднены, поскольку такие объекты не излучаютсвет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное для компонентдвойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что ее рольиграет черная дыра или не излучающая нейтронная звезда.

     Помимоперечисленных обнаружен ряд астрофизических объектов, свойства которых неукладываются 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, от условно элементарных частиц и догигантских сверхскоплений галактик, в ходе которой из протогалактикобразовались галактики, из протозвёзд — звёзды, из протопланетного облака — планеты.

 Галактика- гигантская система, состоящая из скоплений звёзд и туманностей, образующих впространстве достаточно сложную конфигурацию.

Поформе галактики условно разделяются на 3 типа :

1)Эллиптические галактики обладаютпространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являютсянаиболее простыми по структуре: распределения звёзд равномерно убывает отцентра.

2)Спиральные галактики представленыв форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный видгалактик, к которому относится и наша Галактика — Млечный путь.

3)Неправильные галактики не обладаютвыраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Некоторыегалактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящемвидимое излучение. Это радиогалактики.  

Встроение «правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядрои сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральныхветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркиезвёзды и массивные газовые облака.

Насовременном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно взвёздном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звёздах,представляющих собой гигантские плазменные образования различной величенытемпературы, с различной характеристикой движения.

Возрастзвёзд меняется 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.

Рождениезвёзд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных,магнитных и других сил. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила ипроисходит в недрах звёзд. Именно там находится тот «плавильный тигель»,который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

Внедрах звёзд при температуре порядка 10 млн.град. ипри очень высокой плотностиатомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью илиабсолютно все отдалены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействиядруг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинствезвёзд, 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»).

Звёздыне существуют изолированно, а образуют систему. Простейшие звёздные системы — так называемые кратные системы состоят из двух, трёх, четырёх, пяти и большезвёзд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратныхсистем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой,по-видимому, являются сами звёзды, выбрасывающие её в пространство в видемощного потока газов.

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.  

Самаябольшая трудность возникает при объяснении причин космической эволюции. Еслиотбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющиеэволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Дляконцепции самоорганизации материальная Вселенная является единственнойреальностью, и никакой другой реальности помимо её не существует. ЭволюцияВселенной описывается в терминах самоорганизации: идёт самопроизвольноеупорядочивание систем в направлении становления всё более сложных структур.Динамичный хаос порождает порядок.

Врамках концепции креационизма, т.е. творение, эволюция Вселенной связывается среализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чемматериальный мир. 

Численныезначения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной,  размерыатома, атомных ядер, планет, звёзд, плотность вещества и время жизни Вселенной.Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малуювеличину, то не только бы жизнь была невозможной, но и сама Вселенная каксложная упорядоченная структура была бы невозможна. От сюда делается вывод, чтофизическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлениюжизни. Конечная цель космической эволюции — появление человека во Вселенной всоотвецтвии с замыслами Творца. 


Список используемой литературы


Концепция современного естествознания Л.И. Булычева.

еще рефераты
Еще работы по астрономии