Модели Вселенной. Механизм возникновения Вселенной

ТЕМА 6. КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ И КОСМОГОНИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Вопросы:

1.Модели Вселенной. Механизм возникновения Вселенной

2.Солнечная система: структура и характеристики

3.Антропный принцип

Ключевые понятия: космология, фотометрический парадокс, гравитационный парадокс, термодинамический парадокс, реликтовое излучение, сингулярность, вакуум, Вселенная, Галактика, «Большой взрыв», звезда, планета, литосфера, гидросфера, атмосфера, гляциосфера, биосфера, антропосфера, магнитосфера, комета, Солнце, фотосфера, хромосфера, антропный принцип, фундаментальные постоянные

Модели Вселенной. Механизм возникновения Вселенной
Космос во все времена притягивал человека своей таинственностью и величием. Интерес человечества к проблеме космоса, Вселенной на данный момент реализует космология. Космология – это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.
Современная космология – это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий. Это определение космологии берет в качестве предмета этой науки только Метагалактику. Это связано с тем, что все данные, которыми располагает современная наука, относятся только к конечной системе. Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально.

Основателем научной космологии считается Николай Коперник, который поместил Солнце в центр Вселенной и низвел Землю до положения рядовой планеты Солнечной системы.

Успехи космологии и космогонии 18 – 19 вв. завершились созданием классической модели, в которой Вселенная считается бесконечной в пространстве и времени. В классической модели:

§ основной закон, управляющий движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения;

§ пространство никак не связано с находящимися в нем телами и играет пассивную роль вместилища для этих тел;

§ количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико;

§ каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь.

К концу 19 века появились серьезные сомнения в классической модели, которые приняли форму космологических парадоксов – фотометрического, гравитационного и термодинамического.

Фотометрический парадокс. Если допустить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда в любом направлении взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит, поэтому данное парадоксальное утверждение получило в астрономии название фотометрического парадокса Шезо – Ольберса.

Гравитационный парадокс, также вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной, сформулировал в конце 19в. немецкий астроном К. Зеелигер. В бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Поскольку этого не происходит, следовательно, количество небесных тел во Вселенной ограничено, а сама Вселенная не является бесконечной.

Термодинамический парадокс вытекает из второго начала термодинамики – принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется закону сохранения энергии. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, наступит «тепловая смерть Вселенной».

Космологические парадоксы заставили ученных усомниться в классической космологической модели Вселенной и побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей. Новая модель Вселенной была создана в 1917 году А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения. А. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению А. Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. Вселенная А. Эйнштейна содержит ограниченное число звезд и звездных систем, и поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время остается нерешенным вопрос о тепловой смерти Вселенной.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, А. Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку на статичность мира.

В ХХ веке в космологии появился ряд реляционных концепций возникновения Вселенной.

Модель расширяющейся Вселенной. В 1922 г., советский геофизик и математик А. А. Фридман на основании расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной: она может расширяться либо сжиматься.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий. Красное смещение представляется как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

Концепция «Большого взрыва». Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем примерно 12 – 18 млрд. лет назад. Джордж Лемер был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва» из так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики.

Новый этап в развитии современной космологии связан с именем американского физика Г. А. Гамова (1904 –1968), который предложил модель «Горячей Вселенной». Согласно предложенной модели «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины – один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» образовался космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов.

Г. А. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы.

Альтернативой «Горячей Вселенной» является модель «Холодной Вселенной», которую в 1961 году предложил академик Я. Б. Зельдович. Согласно предложенной модели, первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц – протонов, электронов и нейтрино.

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вилсон, испытывая новый радиотелескоп с рупорной антенной, зарегистрировали космическое излучение, интенсивность которого не зависела от направления, и которое нельзя было приписать известным дискретным радиоисточникам – радиогалактикам и квазарам. Это и было реликтовое излучение. Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой, что подтверждает модель «Горячей Вселенной».

Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Г. А. Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой.

В 1948 году Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, произошедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность – бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке вышел из состояния равновесия, то в определенной точке пространства образовалось огромное количество частиц. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Это начало стремительного расширения Вселенной, возникают время и пространство.

Механизм возникновения Вселенной:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: