Эволюция Вселенной

Санкт-Петербургский  государственный университет сервиса  и экономики

Кафедра Прикладной физики

Дисциплина: Концепции современного естествознания 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

на тему: Эволюция Вселенной 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

Студентка заочного отделения ИТМЭО

Бабаева Виктория Юрьевна

Проверила: к.т.р. доцент Успенская Г. А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 год 
 
 
 

Оглавление

1.Введение…………………………………………………………………3-4

2.Часть 1. Исследование…………………………………………………..4-6

3.Часть  2.Теории…………………………………………………………..6-13

4.Часть  3. Судьба Вселенной……………………………………………..13-15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

«Почему дым не возвращается в сигарету? Почему молекулы разлетаются  друг от друга? Почему клякса не приобретает  четкую форму? Потому что Вселенная  стремится к распаду. Это и есть принцип энтропии, стремление Вселенной к состоянию растущего беспорядка. Принцип энтропии связан с понятием стрелы времени, результатом расширения Вселенной. Но что если сила гравитации перевесит расширяющую силу или энергия квантового вакуума окажется слишком слабой? В этот момент во Вселенной может начаться стадия сжатия, „Большой Хлопок“. Так что же произойдет со временем? Пойдет ли оно вспять? Никто не знает ответа.»

Немо  «Господин никто»

Введение 

Вселенная — фундаментальное понятие астрономии, строго не определяемое, включает в себя весь окружающий мир. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественнонаучными методами. 

Такое определение включает в себя две  ипостаси: умозрительная, философская, и нечто материальное, доступное наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти ипостаси, то следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления). 

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные  слова, включая эквиваленты и  варианты из различных языков, такие  как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба в составе гораздо большей системы, частью которой является исходная система. 

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение ребёнка за кошкой, физика — за тем, как раскалывается ядро атома, или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой —  всё это наблюдение за Вселенной, а если быть точным — за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных естественных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология. Именно эти аспекты знаний о Вселенной составляют предмет данной статьи.

С ранних времен человек задумывался об устройстве окружающего его мира как единого  целого. И в каждой культуре оно  понималось и представлялось по-разному. Так в Вавилоне жизнь на Земле тесно связывали с движением звезд, а в Китае идеи гармонии переносились на всю Вселенную. 

Развитие  этих представлений в разных частях света шло по-разному. Но если в  Старом Свете накопленные знания и представления вообщем никуда не девались, лишь передаваясь от одной  цивилизации другой, то о Новом  Свете такого сказать нельзя. Виной тому - колонизация Америки европейцами, уничтожавшая многие памятники древних культур. 

В период Средневековья представление о  мире как о едином целом не претерпевает существенных изменений. И тому две  причины. Первая - сильное давление ортодоксальных богословов, характерное как для католической Европы, так и для исламского мира. Вторая - наследие прошлого, когда представления о мире строились из неких философских концепций. Необходимо было осознать, что астрономия часть физики. 

Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но по истине революционные изменения в наших представлении о Вселенной происходят лишь в XX веке.

Часть 1

  Исследование состава Вселенной

Согласно  последним научным данным о составе  Вселенной, такие объекты как  звезды, планеты, пыль и газ, составляют крошечную часть вселенной (5%). Остальное - неуловимая темная материя (~25 %) и темная энергия.  
 

Темная  энергия – это таинственная, мало изученная и пока еще гипотетическая форма энергии. 

Типичные  объекты исследований в космологии

Галактики Это гигантские гравитационно-связанные системы, состоящие из звёзд и тёмной материи. Типичные представители в наблюдательной космологии. Методы наблюдений, применимые к галактикам, применимы почти ко всем космологическим объектам. Это и сравнения модельного спектра с наблюдаемым, и учёт металличности, и учёт пыли, и отождествление характерных особенностей частей спектра с наличием различных процессов внутри объекта.

Квазары — класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046 — 1047 эрг/с. Считается, что причиной такой высокой светимости является аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики.

Гамма-всплески — внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ[18]. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 1038 эрг/c.  

После обнаружения у гамма-всплесков  оптического послесвечения и  получения их спектров стало ясно, что гамма-всплески — далёкие  объекты. На данный момент самым далёким  зафиксированным объектом Вселенной является гамма-всплеск GRB 090423 с красным смещением z = 8,2. 

Звёздное  скопление представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение, и, соответственно, примерно одинаковый возраст и химический состав. Более массивные звёзды скопления раньше проходят все этапы своей эволюции, превращаясь либо в компактные релятивистские объекты (нейтронные звёзды и чёрные дыры), либо в белые карлики, а менее массивные продолжают находиться на главной последовательности.

Не проэволюционировавшие или слабо проэволюционировавшие объекты. В данную группу включены как галактики, так и звёзды. Характерной чертой данных объектов является их низкая металличность. Они в основном состоят из того вещества, из которого состояли самые первые звёзды и галактики. 

Реликтовый  фон— чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную.

В общем  случае для построения модели применяются  следующие теории и разделы физики: 

Часть 2

Теории

Модель  расширяющейся Вселенной 

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология.

    Выводы космологии основываются  и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.

    Так, в основании современной  космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

    Возникновение современной космологии  связано с созданием релятивистской  теории тяготения - общей теории  относительности Эйнштейном (1916). Из уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

    Применив общую теорию относительности  ко Вселенной в целом, Эйнштейн обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.

    В начале 20-х годов советский  математик А.А.Фридман впервые  решил уравнения общей теории  относительности применительно  ко всей Вселенной, не накладывая  условия стационарности.

    Он показал, что Вселенная,  заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии.

    В 1929 году американский астроном  Э.Хаббл опубликовал статью "Связь  между расстоянием и лучевой  скоростью внегалактических туманностей", в которой пришел к выводу: "Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла).

    Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта - красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Доплера, в спектрах галактик.

    Открытие Хабблом эффекта красного  смещения, разбегания галактик лежит  в основе концепции расширяющейся  Вселенной. 

    В соответствии с современными  космологическими концепциями, Вселенная  расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается.

    Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации.

Модель  расширяющейся Вселенной описывает  сам факт расширения. В общем случае игнорируется, когда и почему Вселенная  начала расширяться, то есть теория Большого Взрыва — лишь частный случай модели расширяющейся Вселенной. В основе большинства моделей расширяющейся Вселенной лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации. Изотропно расширяющуюся среду удобно рассматривать в системе координат, расширяющихся вместе с материей. Таким образом, расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчёта обычно прикрепляют к наблюдателю.