КСЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственного бюджетного образовательного учреждения

ВПО Магнитогорский государственный

технический университет им. Г.И.Носова

Кафедра не металлических материалов и физической химии

Реферат

«Современные концепции происхождения вселенной»

Исполнитель Студент группы МХТб – 11

Рядчиков К.А.

Подпись ______________

Руководитель

Клочковский С.П.

Подпись_______________

Магнитогорск 2012

Оглавление

1.Ньютоновская Вселенная………………………………………………………………….....3

2.Первая модель развивающейся вселенной (И. Кант)………………………….3

3.Космологический парадокс………………………………………………………………….5

4.Вселенная Эйнштейна…………………………………………………………………………..6

5.Концепция расширяющейся вселенной……………………………………………….6

6.Горячая Вселенная (Гамов)……………………………………………………………………7

7.Структкрная организация Вселенной……………………………………………………9

8.Список литературы.……………………………………………………………………………..10

Вселенная как целое является объектом изучения космологии. Вселенная – самый крупный по масштабам объект науки. Он, очевидно, существует в единственном экземпляре. Из этих обстоятельств следует ряд особенностей космологии как науки. Действительно, Вселенную можно только наблюдать, экспериментировать с ней невозможно. Никаких других вселенных нам не дано, и сравнивать нашу Вселенную не с чем. Еще одной особенностью космологии является близкое родство с философскими идеями и исканиями, с попытками осмыслить место человека в мире. Тем не менее, космология – это все же настоящая естественнонаучная дисциплина, в которой главное – конкретные факты, а любые теоретические выводы могут считаться правильными только тогда, когда они проверены и подтверждены прямыми астрономическими наблюдениями.

Ньютоновская Вселенная

Закон тяготения Ньютона называют всемирным, поскольку он представил свойства Вселенной в целом. Вселенная Ньютона – хорошо отлаженный "часовой механизм". Образ "мировых часов" введен в космологию Лейбницем. Модель Вселенной Ньютона стала классической. По этой модели Вселенная бесконечна в пространстве и времени, вечна. Пространство играет роль вместилища материи и никак не связано с находящимися внутри этого вместилища материальными объектами. Пространство существует всегда и останется существовать, если из него изъять всю материю. Количество звезд, планет, звездных систем в бесконечном пространстве бесконечно велико. В то же время каждое небесное тело проходит свой жизненный путь, рождается и погибает.

Эта классическая концепция еще сравнительно недавно изучалась в школе. Вот цитата из учебника астрономии Б. А. Воронцова-Вельяминова (1951): "Подобно тому, как Вселенная в свете научных данных оказывается бесконечной в пространстве, она оказывается бесконечной и во времени, то есть вечной. Вселенная никогда не имела начала и никогда не будет иметь конца, она всегда существовала и всегда будет существовать. Все это касается Вселенной в целом, точнее говоря – материи, из которой она состоит, отдельные же ее части, как, например, Земля, Солнечная система, звезды и даже системы галактик, постоянно то тут, то там возникают, зарождаются, совершая длительный путь развития, и, наконец, прекращают свое существование в этом виде, с тем, чтобы образующая их материя приняла новую форму. Сама же материя, постоянно изменяя свою форму, не уничтожается никогда, она вечна, и вечно ее движение. На смену отжившим мирам возникают новые, на которых с течением времени также возникает жизнь, путем постепенного усложнения воспроизводящая свое высшее выражение – разумные мыслящие существа". Отличия от ньютоновской Вселенной в этой картине все же имеются: Ньютон предполагал акт божественного творения Вселенной и человека, наличие начального импульса – "толчка", пустившего механизм Вселенной в движение.

Первая модель развивающейся Вселенной (И. Кант)

Первую концепцию эволюционирующей Вселенной построил философ И. Кант (1724-1804). Она изложена в его главном естественнонаучном сочинении "Всеобщая естественная история и теория неба, или попытка истолковать строение и механическое происхождение всего мироздания, исходя из принципов Ньютона" (1755). Из полного названия трактата Канта при ссылках на него, как правило, исключают пояснительную часть, имеющую принципиальное значение, поскольку сам Кант видел свою теорию как развитие идей Ньютона. Обычно указывают название трактата в краткой формулировке: "Всеобщая естественная история и теория неба".

Трактат долгие годы был практически неизвестен. Из-за банкротства издателя он вышел тиражом всего несколько экземпляров. Лишь в 1791 г. друг и ученик Канта И. Гензихен опубликовал небулярную гипотезу в числе других выдержек из сочинения Канта с примечаниями самого автора. В этой же книге были опубликованы результаты исследований В. Гершеля, подтвердившие ряд идей Канта. Сочинение Канта состоит из трех частей.

Первая часть посвящена космологическому аспекту гипотезы, то есть аспекту, охватывающему строение всей Вселенной, и называется "Очерк системы неподвижных звезд, а так же о многочисленности подобных систем неподвижных звезд". Кант пишет о бесчисленности миров и систем, заполняющих Млечный Путь. "Мы видим первые члены непрерывного ряда миров и систем, и первая часть этой бесконечной процессии уже дает нам возможность представить, каково целое. Здесь бездна подлинной неизмеримости, перед которой бледнеет всякая способность человеческого понимания, хотя бы и подкрепленного математикой". Как следствие закона всемирного тяготения Кант делает вывод о существовании планет за Сатурном, о закономерности междупланетных расстояний.

Вторая часть трактата отражает космогоническую гипотезу Канта, то есть гипотезу о рождении и развитии космических тел и систем, звезд и их скоплений, Солнечной системы и входящих в нее тел. Она называется "О первоначальном состоянии природы, образовании небесных тел, причинах их движения и связи их между собой как звеньев системы, в частности, в мире планет, а также с точки зрения всего мироздания". Не соглашаясь с Ньютоном относительно "первого толчка", Кант ищет естественную причину возникновения движения во Вселенной. Выдвинув общую идею эволюции Вселенной, Кант развивает ее применительно к Солнечной системе. Он пытается обосновать гипотезу существования разреженной космической материи, частицы которой, отличающиеся плотностью, сгущаются. После образования "критической массы" начинается устойчивый процесс сгущения. Образуется центр притяжения. Падая на центральную массу, частицы материи разогревают ее. Так возникло Солнце. В результате "борения" притяжения и отталкивания образуется круговое движение, возникают планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Элементы космогонической теории Канта поражают современностью звучания. Так, например, Кант пишет о возможности разогрева недр планет под влиянием "смещения" веществ, о том, что звезды могут затухать. Первоматерия, по Канту, создана Богом в далеком прошлом. Таким образом, Вселенная имела начало, но не будет иметь конца. Процесс образования миров, начатый однажды, не прекратится, в результате чего из первоматерии (газопылевой смеси) возникнут новые звездные системы. Вселенная, заполненная материей, бесконечна в пространстве. Наше Солнце находится в старой части Вселенной, в ее центре. Более молодые части Вселенной располагаются по окраинам. Старые части Вселенной постепенно погибают, но на их месте зарождаются новые системы. Таким образом, Кант предполагал существование космических систем разных поколений, что общепринято в современной науке.

Третья часть трактата Канта содержит первый в науке анализ проблемы жизни во Вселенной. Эта часть названа "Содержащая в себе основанный на закономерностях природы опыт сравнения обитателей различных планет". Кант считал, что разумная жизнь существует в космосе не всюду, хотя большинство планет обитаемы. Он полагал, что мыслящие существа тем прекраснее, чем дальше планета расположена от Солнца. Кант сомневался в том, что бессмертная душа остается в одной точке бесконечного пространства. Новые планеты, по мнению Канта, могут образовываться в том числе и как место для переселения душ.

Выдающегося немецкого ученого Лапласа увлекли мысли Канта о Млечном Пути и эволюции Вселенной. Он предложил свою концепцию иерархической Вселенной, развивающую представления Канта. Концепция изложена Лапласом в сочинении "Космологические письма об устройстве мироздания" (1761). Первая часть этого сочинения посвящена кометам. Лаплас разделял мнение о заселенности небесных тел, и считал, в частности, кометы подходящим средством для размещения там астрономических обсерваторий, вечно странствующих во Вселенной. Во второй части "Космологических писем" Лаплас излагает свою космологическую теорию. Он пишет о существовании во Вселенной систем трех порядков: планет со спутниками, Солнца (и других звезд) с планетами, Млечного Пути и подобных туманностей как скоплений звезд. Все системы Лаплас считал находящимися в непрерывном движении. Свою теорию Лаплас строил на конкретных научных фактах и их анализе. Многие научные прогнозы Лапласа получили вскоре блестящее подтверждение: были открыты новые туманности (далекие "Млечные пути"), открыто собственное вращение Солнца, обнаружены "двойные звезды" (термин принадлежит Лапласу). Некоторые прогнозы Лапласа подтвердились через столетия, в частности возможность существования сверхплотных космических тел.

В 1796 г. появилось сочинение Лапласа "Изложение системы мира", в котором он описал ньютоновскую картину Вселенной, но в примечаниях кратко (на трех страницах) выдвинул свою небулярную планетную космогоническую гипотезу. Если Кант допускал ошибку в космогонической теории, полагая возможным самопроизвольное начало вращения изолированной массы, то Лаплас предположил, что туманность изначально вращается. Он указал на возможность образования под действием гравитационных сил планет и их спутников из первоначально разреженной туманности. Эта туманность вращалась вместе с формировавшимся в ее центре Солнцем и составляла его своеобразную атмосферу. При охлаждении и сжатии от "атмосферы" отслаивались газовые кольца. В каждом из колец вещество стягивалось к случайной наиболее плотной массе, образуя планету. Отличие гипотез Канта и Лапласа заключается в начальном состоянии вещества. У Канта – это пыль, на первом этапе слипающаяся, у Лапласа – горячая газовая туманность. Обе гипотезы в XIX веке были объединены в "небулярную гипотезу Канта-Лапласа". Главным содержанием идеи эволюции мегамира стало постепенное качественное изменение космической материи под воздействием сил гравитации.

Космологические парадоксы

При построении механической модели Вселенной Ньютон пришел к бесконечности Вселенной, но рассматривал и альтернативный вариант – конечную Вселенную. Вывод о бесконечности Вселенной был сделан Ньютоном, чтобы избежать гравитационного парадокса. При допущении конечности  Вселенной должен существовать центр гравитации, к которому притягиваются все тела. Через конечное время эти тела должны собраться в единую массу. Но бесконечность Вселенной приводит к другому гравитационному парадоксу, на который указали спустя столетие после появления модели Вселенной Ньютона математик К. Нейман и астроном Г. Зелигер. Суть парадокса заключается в том, что при бесконечной Вселенной гравитационные силы, воздействующие на тело, оказывается бесконечно большими, "раздирающими" это тело. В некотором случае эти силы по расчетам ученых оказывались неопределенными, и, соответственно, неопределенным оказывалось движение тела. Ничего похожего, как известно, не наблюдается. Таким образом, гравитационные представления, лежащие в основе ньютоновской модели Вселенной "не позволяют" ей быть ни конечной, ни бесконечной.

Другим космологическим парадоксом является так называемый фотометрический парадокс. На этот парадокс указали швейцарский астроном X. Шезо (1744) и, в более развитом виде, немецкий астроном В. Ольберс (1826). Смысл фотометрического парадокса заключается в том, что при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно светящимся.

После открытия второго начала термодинамики Кельвин и Клаузиус сформулировали парадокс "тепловой смерти" Вселенной. При всех превращениях различные виды энергии, в конечном счете, переходят в тепло. В соответствии со вторым началом термодинамики Вселенная будет стремиться к термодинамическому равновесию, поскольку тепло необратимо рассеивается. Все активные процессы в природе прекратятся, звезды погаснут, возникнет холодная пустыня. Гипотеза тепловой смерти Вселенной произвела огромное впечатление, поскольку в природе не наблюдались процессы, противоречащие второму началу термодинамики.

Для устранения космологических парадоксов выдвигались самые противоречивые идеи. Например, предлагалось устранить гравитационный парадокс "раздирания" материи коррекцией закона Всемирного тяготения, введением в формулу закона экспоненциального множителя, зависящего от расстояния. Фотометрический парадокс и парадокс "тепловой смерти" Вселенной такой коррекцией закона всемирного тяготения не устранялись. Одновременное преодоление трудностей, возводимых гравитационным и фотометрическим парадоксом, предложил шведский астроном Шарлье (1862-1934). Он показал, что при бесконечной иерархии объектов во Вселенной по их размерам и соответствующем увеличении расстояний между объектами гравитационный и фотометрический парадоксы устраняются, так как гравитация и освещенность подчиняются закону обратных квадратов. Чем крупнее объект, тем дальше расстояние до него, и тем меньше гравитация и освещенность. При этом предполагалось практически детерминированное распределение тяготеющих масс во Вселенной.

Парадокс "тепловой смерти" Вселенной пытался преодолеть Л. Больцман, не сомневавшийся в бесконечности Вселенной в пространстве и во времени. Он предложил вероятностную трактовку второго начала термодинамики. Эта трактовка предполагала, что процессы, уменьшающие энтропию, возможны, но весьма маловероятны, то есть состояние хаоса более вероятно, чем состояние упорядоченности. По трактовке Больцмана, Вселенная должна пребывать в состоянии тепловой смерти, однако в некоторых ее областях с весьма малой вероятностью возможны флуктуации (отклонения) от термодинамического равновесия, и тогда в этой области возникает островок жизни. К такой области принадлежит Земля. Вероятность подобного события, как подсчитали ученые, практически равна нулю.

Устранение космологических парадоксов стало возможным после отказа от классической ньютоновской модели Вселенной.

Вселенная Эйнштейна

Древняя восточная мудрость гласит: "Чтобы познать истину, нужно выйти за ее пределы". Первый выход за пределы, определяемые ньютоновской моделью Вселенной, был связан с отказом от евклидовой геометрии и признанием весьма необычных свойств пространства. Математика вводит нас в некий абстрактный мир, мир формул и геометрических построений, мир особых математических объектов. Связь между математическими и реальными объектами не всегда очевидна. Геометрия Евклида понятна, поскольку отражает те свойства пространства, с которыми мы сталкиваемся повседневно. У тел есть длина, ширина, высота. Особое место в геометрии Евклида занимает "постулат о параллельных" (пятый постулат), с помощью которого доказывается, например, что сумма углов плоского треугольника равна 180°. К выводу, что можно обойтись без пятого постулата, независимо друг от друга пришли Гаусс (1777-1855), Больяи (1802-1860) и Лобачевский (1792-1856). В рамках новой геометрии в треугольнике сумма углов может быть и больше и меньше 180°. Так появилось понятие неевклидовой геометрии, которая может служить для описания пространства. В наиболее законченном виде вариант неевклидовой геометрии построил немецкий математик Риман (1826-1866).

Именно взгляды на геометрические свойства пространства отличают в первую очередь модель Вселенной Эйнштейна. Если пространство Ньютона – это вместилище материи, то по Эйнштейну с исчезновением материи исчезают пространство и время. В общей теории относительности гравитация проявляется в римановом пространстве. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время, то есть материя изменяет свойства пространства. Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, что, однако, противоречит сегодняшним представлениям. Вселенная Эйнштейна заполнена галактиками, расстояние между которыми постоянно. Вселенная Эйнштейна бесконечна во времени (вечна), но конечна в пространстве в том смысле, что содержит большое, но ограниченное число звезд и звездных систем. В связи с пространственной конечностью Вселенной фотометрический парадокс к ней не применим. Гравитационный парадокс устранялся Эйнштейном введением "космического отталкивания", проявляющегося лишь на огромных расстояниях. В стационарной модели Вселенной Эйнштейна ускорение, создаваемое притяжением, должно уравновешиваться ускорением, создаваемым отталкиванием. Такая модель неустойчива, то есть теряет стабильность при малейшем возмущении. Кроме того, парадокс "тепловой смерти" не устранялся и моделью Эйнштейна.

Концепция расширяющейся Вселенной

Анализируя уравнения общей теории относительности, А. А. Фридман (1888-1925) пришел к выводу, что сами по себе эти уравнения не дают однозначного ответа на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной. Фридман отказался и от постулата Эйнштейна о стационарности, показав, что уравнения общей теории относительности допускают нестационарность. Модель Вселенной Фридмана нестационарна, имеет изменяющийся радиус кривизны. Модель Эйнштейна, как показал Фридман, представляет лишь частный случай решения уравнений общей теории относительности. Фридман выделил три возможных модели, соответствующие нестационарной Вселенной. Первая модель предполагает расширяющееся евклидово пространство. Вторая модель представляет пульсирующее неевклидово пространство. В этой модели радиус кривизны пространства за некоторое время увеличивается от нуля до определенной величины, а затем вновь уменьшается до нуля. Третья модель предполагает монотонно расширяющееся неевклидово пространство. Результаты, полученные Фридманом, были опубликованы в Германии и сначала вызвали критику со стороны Эйнштейна, но затем автор теории относительности признал их правоту. Выбор модели нестационарной развивающейся Вселенной зависит от средней плотности вещества во Вселенной, установить которую достаточно надежно пока не удается.

Модель расширяющейся Вселенной получила экспериментальное подтверждение. В 1923 г. астроном и астрофизик Э. Хаббл (1889-1953) с помощью телескопа-рефлектора открыл в спиральной туманности М31 созвездия Андромеды несколько цефеид – звезд с определенным периодом изменения блеска. Для цефеид существует зависимость "период-блеск", а по блеску и звездной величине можно определить расстояние. Оказалось, что туманность М31 находится вне нашей Галактики, сама является галактикой, сравнимой с нашей. Вскоре были открыты и другие галактики. Определив спектры излучения, Хаббл обнаружил, что расстояния между галактиками увеличиваются, то есть они "разбегаются". Скорость "разбегания" Хаббл измерял по "красному смещению" в спектрах излучения. Измеряя расстояние до галактик фотометрическим методом и по цефеидам, Хаббл установил, что скорость разбегания V зависит от расстояния г до галактики и увеличивается пропорционально ему, то есть V=Hr. Это выражение называют законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности Н – постоянной Хаббла.

Расширение Вселенной означает, что исходным состоянием является "точечный" объем, что существовало само начало расширения (момент "сотворения мира") и что прошло какое-то время с момента "сотворения мира", то есть у Вселенной должен быть возраст. Ответ на вопрос о том, когда произошел акт "творения", давал закон Хаббла: величина 1/Н характеризует время в секундах, за которое галактики, расположенные на расстоянии в 1 Мпс, разбегутся на 1 км. Зная расстояние до "окраин" Вселенной, можно вычислить ее возраст. Хаббл получил значение Н=500 км/с∙Мпс, и отсюда следовало, что возраст Вселенной всего около 2 млрд. лет, то есть меньше возраста Земли. В настоящее время постоянная Хаббла уточнена. Это позволяет утверждать, что возраст Вселенной колеблется от 10 до 20 млрд. лет. При среднем значении Н=75 км/с∙Мпс возраст Вселенной, полученный из закона Хаббла, составляет 13 млрд. лет.

Итак, в ушедшем XX веке конкурировали две гипотезы: гипотеза стационарной Вселенной и гипотеза расширяющейся Вселенной. Гипотеза расширяющейся Вселенной несмотря на экспериментальное обнаружение "разбегания" галактик долго не могла взять верх. В 1948 г. английские ученые во главе с Ф. Хойлом выдвинули идею о том, что вместо ушедших из объема Вселенной галактик возникают новые, средняя плотность материи, таким образом, сохраняется неизменной, и Вселенная остается стационарной. Решающим фактором, утвердившим гипотезу расширяющейся Вселенной, стало обнаружение и интерпретация реликтового космического излучения. Существование такого излучения предсказывала теория эволюции Вселенной, разработанная Г. А. Гамовым (1904-1968) и получившая название "Космология Большого Взрыва".

Горячая Вселенная (Гамов)

К теории "Большого взрыва" Гамов пришел от спектральных исследований, заинтересовавшись относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и их происхождением. Гамов окончил Ленинградский университет и начал научную карьеру в Государственном оптическом институте. Гамова интересовала теория относительности, лекции по которой он слушал у А. А. Фридмана. Для прохождения научной стажировки его в 1928 г. командируют в Германию. По пути Гамов заехал в Копенгаген к Н. Бору, который после бесед с молодым ученым предложил ему остаться у него на год. Через год Бор написал рекомендательное письмо Э. Резерфорду в Кембридж, где Гамов продолжил стажировку.

Научные успехи и признание пришли к Гамову довольно быстро. Уже в 1932 г. он был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. В 1934 г. Гамов уезжает в США и принимает решение об эмиграции. В 1938 г. Гамов был исключен из АН СССР, но восстановлен посмертно в 1990 г. Гамов внес весомый вклад в современную ядерную физику, астрофизику и генетику. Успехи ядерной физики Гамов удачно использовал для решения проблем изучения источников внутризвездной энергии, для развития теории эволюции звезд. Он построил первую ядерную теорию эволюции звезд, нейтринную теорию взрыва сверхновых, теорию эволюции красных гигантов. Первый вариант теории "Большого взрыва" был опубликован Гамовым в 1948 г. в статье, написанной в соавторстве с Альфером и Бете. Космологическую модель Гамова, которую он сам называл "Космологией Большого Взрыва" называют моделью "горячей" Вселенной, имея в виду сверхвысокие температуры, при которых, по этой теории, происходят процессы на начальных этапах развития Вселенной.

Сценарий развития событий по теории горячей Вселенной был следующим. Исходным состоянием была "сингулярность" – точечный объем с бесконечной плотностью материи. Физического толкования такое состояние сегодня не имеет. Пространство и время в таком состоянии не существуют. Отметим, что это состояние нельзя представить как просто точку в математическом смысле. Оно обладает свойствами, выходящими за рамки современных научных представлений. Нет ответа и на вопрос, что было до этого состояния. Предполагается, что оно является неустойчивым, приводящим к началу расширения Вселенной. Промежуток времени от "начала" до 10^-45с сегодня не имеет толкований. Модели развития событий в промежутке времени от 10^-45 до 10^-35 секунды после "начала" различаются. В последние годы получила признание модель "раздувающейся" Вселенной. В соответствии с этой моделью диаметр Вселенной очень быстро увеличивался в течение от 10^-45 до 10^-35 секунды после Взрыва. Этот период называют периодом раздувания или инфляции. По существу, фаза инфляции – не расширение, а мгновенное образование пространства и времени. Раздувание происходило со скоростью, гораздо большей скорости света. К моменту времени 10^-43c от "начала" Вселенная оказалась в состоянии, которое принято называть "ложным вакуумом". Считается, что ложный вакуум играет роль базовой формы материи. Внутренние состояния материи истинного и ложного вакуума неодинаковы. Если принять плотность энергии истинного вакуума за ноль, то у ложного она будет положительной. Представим себе, что гравитация в нашем мире вдруг сменилась бы антигравитацией. Вселенная со взрывом разлетелась бы. Так и произошло в начале инфляции, когда ложный вакуум стал переходить в истинный и образовались "пузыри" состояния с ложным вакуумом. Один из этих "пузырей" стал зачатком нашей Вселенной, остальные – зачатками других вселенных, которые навсегда не доступны нам. "Горячая" Вселенная берет свое начало в этом пузыре, находящемся в состоянии с огромным содержанием энергии. В пространстве возникли области со случайной плотностью энергии, послужившие началом образования галактик. В конце фазы инфляции температура Вселенной падает настолько, что нарушается Великое объединение, выделяется сильное взаимодействие. Дальнейший сценарий событий совпадает со стандартной теорией Большого Взрыва. При времени 10^-4с от "начала" нарушается симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием. Возникают все четыре типа фундаментальных взаимодействий, которые "управляют" дальнейшими событиями. Формирование ранней Вселенной завершилось через 3 минуты 2 секунды после Взрыва. Начался процесс объединения протонов и нейтронов в ядра – нуклеосинтез. Затем температура и плотность упали более чем на 20 порядков, и счет времени уже пошел на тысячелетия. За 500 тысяч лет Вселенная остыла примерно до 3 тысяч градусов. При такой температуре протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от вещества. Образовалась однородная Вселенная, состоящая из трех субстанций: лептонов, излучения (фотонов) и барионного вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов). Переход от однородной к структурной Вселенной занял от одного до трех миллиардов лет.