Эволюция и образование вселенной и галактики
Эволюция и образование вселенной и галактики
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И
ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ ПО РЫБОЛОВСТВУ
МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО
СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РЕФЕРАТ
ПО КОНЦЕПЦИЯМ СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
по теме «Вселенная»
Мурманск
1999
Содержание.
1. Введение. 3
2. Изучение Вселенной. 4
3. Эволюция Вселенной. 6
3.1. Адронная эра. 6
3.2. Лептонная эра. 7
3.3. Фотонная эра или эра излучения. 8
3.4. Звездная эра. 8
4. Образование Вселенной. 9
4.1. Теория «Большого взрыва». 9
4.2. Антропный принцип. 10
5. Галактики и структура Вселенной. 11
5.1. Классификация галактик. 12
5.2. Структура Вселенной. 17
6. Заключение. 20
7. Список литературы. 22
1. Введение.
В одном из выступлений А. Эйнштейн сказал (в 1929 г.): «Если говорить
честно, мы хотим не только узнать, как устроена, ... но и по возможности
достичь цели утопической и дерзкой на вид - понять, почему природа является
именно такой... В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».
Многие ранние традиции, Еврейская, Христианская и Исламская религии,
считали, что Вселенная создалась довольно недавно. Например, епископ Ушер
вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной,
прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского
создания не так далека от даты конца последнего Ледникового периода, когда
появился первый современный человек.
С другой стороны, некоторые люди, например, греческий философ
Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей не признавали идею о том, что Вселенная
имела начало. Они чувствовали, что это могло быть. Но они предпочли верить
в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то
есть вечно и бесконечно.
На самом деле, в 1781 философ Иммануил Кант написал необычную и очень
неясную работу «Критика Чистого Разума». В ней он привел одинаково
правильные доводы, оба для веры, что Вселенная имела начало, и что его не
было. Как говорит название работы, выводы были основаны просто на причине.
Другими словами, не были взяты в счет наблюдения о Вселенной. В конце
концов, в неменяющейся Вселенной было ли что наблюдать?
Никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых
столетиях, не считал, что Вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и
Эйнштейн оба пропустили шанс предсказания, что Вселенная могла бы или
сокращаться, или расширяться. Нельзя действительно ставить это против
Ньютона из-за того, что он жил двести пятьдесят лет перед открытием
расширения Вселенной. Но Эйнштейн должен был знать это лучше. Когда он
сформулировал теорию относительности, чтобы проверить теорию Ньютона с его
собственной специальной теорией относительности, он добавил так называемую
«космическую константу». Она представляла собой отталкивающий
гравитационный эффект, который мог бы балансировать эффект притяжения
материала во Вселенной. Таким образом, было возможно иметь статическую
модель Вселенной.
Эйнштейн позже сказал: «Космическая константа была величайшей ошибкой
моей жизни». Это произошло после наблюдений отдаленных галактик Эдвином
Хабблом в 1920 году и показало, что они перемещаются далеко от нас, со
скоростями, которые были приблизительно пропорциональными их расстоянию от
нас. Другими словами, Вселенная не статическая, как прежде было принято
думать: она расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со
временем.
2. Изучение Вселенной.
Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал
первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину
ее ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле.
Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновения такой
Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и
отталкивания. Кант попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на
всех ее масштабных уровнях, начиная с планетной системы и кончая миром
туманности.
Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию
относительности. Это было сравнительно просто, как и всё гениальное. Ему не
пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные
закономерности. Он лишь дал принципиально новое объяснение.
Эйнштейн раскрыл более глубокий смысл установленных зависимостей,
эффектов уже связанных в некую физико-математическую систему (в виде
постулатов Пуанкаре). Заменив в данном случае теорию абсолютности
пространства и времени идей их относительности «Пуанкаре», которую теперь
уже не связывали с идеей абсолютного в пространстве, абсолютной системы
отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее
кризисную ситуацию, в теоретическом осмыслении действия. Более того,
открылся путь для дальнейшего проникновения в свойства и законы окружающего
мира, настолько глубоко, что сам Эйнштейн не сразу осознал степень
революционности своей идеи.
В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории
относительности, Эйнштейн, обобщая принципы относительности Галилея,
провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в
механических явлениях, но также электромагнитных явлений.
Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась
результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла Лоренца.
Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения
близких к скорости света.
Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории
относительности раскрыл выдающийся математик и физик – теоретик Александр
Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы
Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного
цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод, исходя из предположения о
стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного
постулата.
Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли
удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений
далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.
Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находиться в
покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию
необходимости глобальной эволюции Вселенной.
Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной
утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но
расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит
гравитация.
По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет
со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет
остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество
опять не сожмется и произойдет новый взрыв.
Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала,
ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно
идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися
галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если
Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до
бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.
Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не
существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.
3. Эволюция Вселенной.
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная
во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и
эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции
Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли
занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что
началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был
гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост.
Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных
элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с
другом.
На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и
античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию
частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой
температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица ? 2
гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс
материализации гамма-фотон ? частица + античастица мог протекать лишь при
достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в
результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась,
эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную,
фотонную и звездную.
3.1. Адронная эра.
При очень высоких температурах и плотности в самом начале
существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество
на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя
эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время
существовали и лептоны.
Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной,
температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая
энергия частиц kT и фотонов h? составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что
соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды
эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно,
так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация
барионов прекратилась, так как при температуре ниже 1013K фотоны не
обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции
барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не
отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из
барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие
из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая
группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны,
которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения
барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4
секунды.
К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды
(10-4с.), температура ее понизилась до 1012K, а энергия частиц и фотонов
представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких
адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не
могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной
достиг 10-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра,
потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и
легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная
сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру,
длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.
3.2. Лептонная эра.
Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1
Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой,
чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и
нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по
сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.
Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в
мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при
температуре 1010K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и
материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа
начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино,
которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось
огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает
нейтринное море.
3.3. Фотонная эра или эра излучения.
На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура
Вселенной понизилась до 1010K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв,
произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-
позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что
фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и
позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не
отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры
Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два
миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной
Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по
количеству, но и по энергии.
Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во
Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии
в 1 см3, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во
Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию h? всех
фотонов, присутствующих в 1 см3, то мы получим плотность энергии излучения
Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 см3 является средней энергией
вещества Em во Вселенной.
Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов
и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём
увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов
понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе,
чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не
меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою
частоту колебания, словно «устают» со временем. Вследствие этого плотность
энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em).
Преобладание во Вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется
в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех
пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в
равновесие, то есть (Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период
«Большого взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет.
Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.
3.4. Звездная эра.
После «Большого взрыва» наступила продолжительная эра вещества, эпоха
преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со
времени завершения «Большого взрыва» (приблизительно 300 000 лет) до наших
дней. По сравнению с периодом «Большого взрыва» её развитие представляется
как будто замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и
температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с
фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы
стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем
красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики
- ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.
4. Образование Вселенной.
4.1. Теория «Большого взрыва».
«Большой взрыв» продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну
тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока,
это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция
Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время
«Большого взрыва». Все события во Вселенной в тот период касались свободных
элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не
следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд)
из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни
путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые
легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).
В момент, который был назван «Большим взрывом», плотность Вселенной
была равна 1000 000 г/м3, а температура равнялась 1032 степени градусов К.
Этот момент был назван точкой сингулярности, то есть была точка, было
начало, возникла масса, абсолютное пространство и все законы, которым
сейчас подчиняется Вселенная.
Если исходить из фактов, то теория «Большого взрыва» кажется очень
убедительной, но так как мы до сих пор не знаем, что же было до него, это
напускает немного тумана на эту проблему. Но все-таки наука продвинулась
гораздо дальше, чем это было раньше и как любая революционная теория,
теория «Большого взрыва» дает хороший толчок развитию научной мысли.
4.2. Антропный принцип.
Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году
Иглис Г.И. , но он является как бы неофициальным его автором. А официальным
автором был ученый по фамилии Картер.
Антропный принцип говорит о том, что в начале Вселенной был план
мироздания, венцом этого плана является возникновение жизни, а венцом жизни
- человек. Антропный принцип очень хорошо укладывается в религиозную
концепцию программирования жизни.
Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть
потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном
этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень
интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение
больших чисел.
Рассмотрим первый факт.
Фундаментальными константами называются:
скорость света - С; постоянная Планка - h;
заряд электрона - e; масса электрона - me;
масса протона - mp; масса нейтрона - mn;
средняя плотность во Вселенной; гравитационная постоянная;
электромагнитная постоянная.
Исходя из этих констант, обнаружили их взаимосвязь:
между массой протона, электрона и нейтрона:
mp - mn > me; me = 5,5x10 г/моль; mp-mn = 13,4x10 г/моль.
а также критичность значений плотности во Вселенной:
q = 10 г/см
если q > 10,то Вселенная пульсирующая
если q < 10,то во Вселенной будет отсутствовать тяготение
Теперь рассмотрим совпадение больших чисел (фундаментальных констант):
rвселенной/re = 10; (/re = 10; qe/qвселенной = 10;
(- возраст образования Вселенной
Возраст образования Вселенной был запрограммирован в момент «Большого
взрыва» и определяется как 15-20 млрд. лет.
Как мы видим из всего выше изложенного, сам факт связи
фундаментальных констант неоспорим. Они полностью взаимосвязаны и их
малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение
и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно
интересной теории шансы на жизнь. Хотя наука и не признает ее, но в связи с |
