Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО  – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа  по предмету:

Концепции современного естествознания

Вариант № 12

Тема: Мегамир: современные  астрофизические  и космологические  концепции. 
 
 
 
 
 
 
 

Работу  выполнила: Никитина Екатерина

Факультет: Финансы и кредит 1 курс

(вечернее  отделение)

Преподаватель: Голубева Наталья Александровна 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Калуга  2010 г. 
 
 
 

Содержание:

Введение.............................................................................................................................................3

Вопрос 1. Понятие «Мегамир». Современные космологические модели Вселенной…………4

Вопрос 2. Сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной………………………7

Вопрос 3. Анализ структуры Вселенной………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………………………………12

Список  литературы……………………………………………………………………………….13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краткое содержание:

1.Изложить современное  понимание Мегамира, вскрыть его сущность и границы, показать его связь с разработкой моделей Вселенной.

2.Охрактеризовать  проблему происхождение Вселенной и показать основные этапы ее эволюции.

3.Изложить современные  представления о том, как «устроена»  Вселенная. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

На всем протяжении своего существования Человек  изучает окружающий его мир. Будучи мыслящим существом, Человек, как в отдаленном прошлом, так и сейчас, не мог и не может ограничиваться тем, что ему непосредственно дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда стремился, и будет стремиться выйти за ее пределы.

Характерно  то, что познание окружающего мира человеком началось с космогонических  размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о "начале всех начал". История не знает ни одного народа, который  рано или поздно в той или иной форме не задался этим вопросом и не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного развития данного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический прогресс позволили продвинуться в разрешении вопроса о возникновении Вселенной  от мифологического мышления к построению научных теорий. 

Проблема "начала мира" - одна из тех немногих мировоззренческих проблем, которые  проходят через всю интеллектуальную историю человечества.  Появившись однажды на белый свет, идея "начала мира" с тех пор всегда занимала мысли ученых и время от времени в том или ином обличии вновь и вновь всплывает на поверхность. Так, казалось бы, навсегда похороненная во времена средневековья, она нежданно-негаданно появилась на горизонте научной мысли второй половины ХХ столетия и стала всерьез обсуждаться на страницах специальных журналов и на заседаниях проблемных симпозиумов.

За истекшее столетие  наука о Вселенной  добралась до самых верхних этажей структурной организации материи - галактик, их скоплений и сверхскоплений. Современная космология активно взялась за проблему происхождения (формирования) этих космических образований. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Анализ  понятия Мегамир. Современные космологические  модели Вселенной.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем – галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка – Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика»  очень близки: они характеризуют  один и тот же объект, но в разных его аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры, как упорядоченную систему галактик.

Строение  и эволюция Вселенной изучаются  космологией. Космология как раздел естествознания находится на стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами модели имеют большое мировоззренческое значение.

     В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как и сейчас. Наука ХIХ в. рассматривала атомы, как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить о времени их жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по - прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты – свой неизменный бег по орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая  ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности  Вселенной.

Первый  парадокс получил название, гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй  парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная  космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного  уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное  уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала  как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем  и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна  стационарна, бесконечна во времени  и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась  со всеми известными фактами. Но новые  идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том  же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений  тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной  и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает  три возможности:

1. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.
2. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется.
3. Если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной  неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверхплотного  состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил  существование странной зависимости  между расстоянием и скоростью  галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая  возрастает пропорционально расстоянию, — система галактик расширяется.

Расширение  Вселенной долгое время считалось  научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее  время не представляется возможным. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сущность  проблемы происхождения и эволюции Вселенной.

    Вселенная постоянно расширяется. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Американский физик Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассмотрев ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва».

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной  в 13—15 млрд лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры:

• Эра адронов. Эра тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия. 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. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.
• Эра лептонов. Эра легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие. 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. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
• Фотонная эра.  Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.
• Звездная эра наступает через 1 млн лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.