Структура Вселенной с позиций современной космологии

 
 

Список используемой литературы:

1.     Лавриненко В.Н., Ратников В.П., Концепции  современного    естествознания. М. 2003 г.

2.     Карпенков С.Х., Концепции современного  естествознания: Учебник для вузов.  М. 2003 г. 

3.     Петросова Р.А., Голов В.П., Сивоглазов  В.И., Естествознание и основы  экологии. М. 2000 г. 

4.     Найдыш В.М., Концепции современного  естествознания. М. 2003 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вариант № 4. 

1.   Охарактеризуйте понятия: микромир, энергия, атомы,         элементарные частицы.
2. Какова структура Вселенной с позиций современной космологии?
3. Опишите процесс возникновения живого организма из клетки.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Охарактеризуйте понятия: микромир, энергия, атомы,         элементарные частицы.

 

  Микромир - Учение об элементарных частицах. Стандартная модель мироздания. От элементарных частиц к фундаментальным законам природы. ô Элементарная структура вещества. Молекулы – атомы – электроны – ядра. ô Устойчивость и неустойчивость частиц. Термоядерные процессы. Взаимопревращения микрообъектов. Лептоны – адроны – кварки. ô Фундаментальные взаимодействия и законы природы. ô Фундамент материи. Физический вакуум и его состояния. Виртуальные частицы. 

  Энергия  -  Анализ современного научного знания (см. гл.1) показал, что его деление на физику, химию, биологию и гуманитарные науки — это лишь удобный тактический приём, позволяющий более детально изучать различные стороны действительности. Отдельные науки, изучая разные уровни организации материи, устанавливают специфические для каждого уровня законы. Но некоторые из этих законов оказываются частными случаями общих фундаментальных законов природы, справедливых для всех материальных систем и процессов, что служит подтверждением единства мира.

      К таким фундаментальным всеобщим законам в первую очередь следует отнести законы превращения веществ и энергии. Но, учитывая, что вещество определяется как нечто, имеющее массу (см. п.1.1.), а масса (m) связана с энергией (Е) знаменитой формулой Эйнштейна: 

  Е = m c2 , (2.1) 

  где с — скорость света в вакууме, 

  достаточно  говорить лишь о законах превращения  энергии. 

  Прежде  чем рассматривать эти законы, необходимо чётко определить суть понятия  «энергия». Опыт обсуждения этого понятия  выявил парадоксальную ситуацию, когда  подавляющее большинство людей, даже имеющих высшее образование, не могут объяснить, что такое энергия. Это опять-таки демонстрирует, как  в нашей жизни отсутствующее  действительное знание заменяется словоблудием. Мы ещё раз убеждаемся, что произносить  слово и широко на каждом шагу его  использовать вовсе не означает понимать, что в действительности оно означает. Пагубность ситуации состоит в том, что неспособность объяснить  смысл произносимых слов означает и  неспособность применять знание на практике. Среди студентов только примерно один из пятидесяти мог дать определение механической работы как  силы, умноженной на расстояние, или, реже, определить изменение электрической  энергии как произведение напряжения и величины перемещённого заряда.

     Философия, которая является наукой, обобщающей всё человеческое знание, даёт следующее очень простое определение энергии: энергия — это мера движения материи. Под движением имеются в виду любые изменения в материальных системах. Все изменения есть результат взаимодействия систем. В результате взаимодействия системы изменяют свои характеристики. Мерой этих изменений и является энергия. Таким образом, взаимодействие есть процесс, в результате которого одни системы получают, а другие — теряют энергию, а весь мир есть множество систем, обменивающихся энергией.

    Атомы - А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

       Атомы различного вида в разных  количествах, связанные межатомными  связями, образуют молекулы.

      Элеменарные частицы  -  Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

     Следует иметь в виду, что некоторые  элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются  бесструктурными и рассматриваются  как первичные фундаментальные  частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы  — протон, нейтрон и т. д.) имеет  сложную внутреннюю структуру, но, тем  не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно.

     Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной  физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными  общностью многих рассматриваемых  проблем и применяемыми методами исследования. 

     Главная задача физики элементарных частиц –  это исследование природы, свойств  и взаимных превращений элементарных частиц. Представление о том, что  мир состоит из фундаментальных  частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, то есть неделимыми частицами.

     Наука начала использовать представление  об атомах только в начале XIX века, когда  на этой основе удалось объяснить  целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие  иона и было выполнено измерение  элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления  радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а  также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление  о квантах электромагнитного  поля – фотонах (А. Эйнштейн). В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что  атомы имеют сложное строение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.  Какова структура Вселенной с позиций современной космологии? 

           Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не оставаясь равнодушным к созерцаемому. «Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне – дна», – эти прекрасные строки М.В. Ломоносова, образно и наиболее полно описывают первое впечатление, которое испытывает человек, любуясь завораживающей картиной звездного неба.* Про звезды сложено множество стихов и песен. Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех: и самого обычного человека, и поэта, и ученого. Но для ученых звездное небо – не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.

В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным  глазом можно наблюдать на небосводе  до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть звезд и других космических объектов, из которых  состоит Вселенная.

Вселенная –  это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в  процессе своего развития.  

1. Основные концепции  космологии 

На протяжении всей истории цивилизации человечество стремится познать окружающий мир  и понять, какое место оно занимает во Вселенной. Вселенная – самая  крупная материальная система. Ее происхождение  интересует людей еще с древних  времен. Вначале Вселенная была «безвидна  и пуста» – так сказано в  библии. Вначале был вакуум –  уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания ХХ в. не позволяют дать полностью  исчерпывающие ответы.

1.1 Предположения  А. Эйнштейна 

Тем не менее, принято  считать, что основные положения  современной космологии – науки  о строении и эволюции Вселенной  – начали формироваться после  создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала  стационарное состояние Вселенной  и, как показали астрофизические  наблюдения, оказалась неверной.*

1.2 Выводы А.А.  Фридмана 

Важный шаг  в решении космологических проблем  сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888–1925). В  результате решения космологических  уравнений он пришел к выводу: Вселенная  не может, находится в стационарном состоянии – она должна расширяться  либо сужаться.*

1.3 Эмпирический  закон – закон Хаббла 

Следующий шаг  был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889–1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время  называемых туманностями) и тем самым  открыл мир галактик. В 1929 г. в той  же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения  галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил  Эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо  пропорциональна расстоянию r до нее, т. е. V=Hr, где H – постоянная Хаббла.*

С течением времени  постоянная Хаббла постепенно уменьшается  – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый  промежуток времени ничтожно мал. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что  скорость разбегания галактик увеличивается  примерно на 75 км\с на каждый миллион  парсек (1 парсек равен 3,3 светового  года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При данной скорости экстраполяция  к прошлому приводит к выводу: возраст  Вселенной составляет около15 млрд. лет, а это означает, что вся  Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой  области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной  была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля  оказалась в неустойчивом состоянии  и взорвалась. Это предположение  лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических  наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас  еще не дошла – мы не можем  заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что  радиус космологического горизонта  равен приблизительно 10 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается  примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной  радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно  подождать миллиарды лет.

В концепции  большого взрыва предполагается, что  расширение Вселенной происходило  с одинаковой скоростью, начиная  с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается  и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными  пределами плотности. Из нее следует, что некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем  сейчас, и были периоды, когда Вселенная  сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу и с тем большей  скоростью, чем большее расстояние их разделяло.