Вселенная. Космологические модели Вселенной. Теории Большого взрыва

Федеральное агентство по образованию                                                                 ГОУ ВПО « Нижневартовский Государственный Гуманитарный Университет» Гуманитарный факультет                                                                                        Отделения управления Кафедра всеобщей истории и документоведения.

Реферат по теме:

Вселенная. Космологические модели Вселенной. Теории Большого взрыва.

                                                                                                 Выполнила:

   Студентка 1 курса

12 группа ДиДОУ

                                                                                                     Нечаева Ю.Т.

Нижневартовск 2007

10

Содержание.

Космология…………………………………………………………………….3

Основные концепции космологии……………………………………………4

Структура Вселенной………………………………………………………….6

Вселенная. Теория Большого взрыва…………………………………………7

Список литературы…………………………………………………………….11

10

Космология.

              Проблемы зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и современный человек, но он смотрит глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы:

а) Что было, когда Вселенная рождалась?

б) Как давно это было и как происходило?

в) Рождалась ли Вселенная вообще или она глобально стационарна?

              Для поиска ответов на эти непростые вопросы в астрономии появилась новая отрасль – космология. По определению А.Л. Зельманова (1913-1987) 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. Космология стала искать различные варианты ответов на поставленные вопросы, выдвигать различные теории и гипотезы. Так появилась Теория Большого взрыва и гипотезы, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие.

              Космология, как и любая современная наука, сегодня бурно живет и развивается, в большей мере за счет «альтернативных теорий». Все это позволяет человечеству точнее понять сущность физических процессов, дает возможность ученым прогнозировать дальнейшую эволюцию Вселенной.

10

Основные концепции космологии.

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 20 века не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы.

Тем не менее, принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917г. 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, оказалось неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. Профессор А.А. Фридман (1888 – 1953). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться либо сужаться.

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.

Закон Хаббла: Скорость удаления галактики v прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т.е.  V=Hr, где Н – постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной 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 в вакууме за 1 земной год). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет назад, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет была сосредоточена в очень малой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной бала сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким – то  причинам ядерная капля оказалась неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предложение лежит в основе концепции большого взрыва.

10

Структура Вселенной.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информации об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла – мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космического горизонта равен приблизительно 1026м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такой 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 происходила 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 в 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.

Итак, Вселенная это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразна по формам, которая применяет материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика – охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находиться  в пределах космологического горизонта.

Структура Вселенной – предмет изучения космологии одной из важной отрасли естествознания, находящийся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии  и др.

Вселенная. Теория Большого взрыва.

Теория Большого взрыва захватывает воображение и мало кого оставляет равнодушным. Создается впечатление, что она основана на фактическом материале и подкреплена математическими выкладками и поэтому большинству людей она кажется более приемлемой, чем религиозное объяснение возникновения Вселенной. Однако, по мнению ряда ученых-космологов рассматриваемая теория является лишь последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций физического мировоззрения, согласно которому мир представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики.

              Попытки ученых создать такую физическую модель происхождения Вселенной основываются на трех аксиомах: все явления природы могут быть полностью объяснены физическими законами, выраженными в математической форме; эти физические законы универсальны и не зависят от времени и места; все основные законы природы просты. Большинство людей принимает эти постулаты как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле никто и никогда не мог доказать их истинности. И более, доказать их справедливость непросто. Поэтому нельзя исключать, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простому математическому описанию. Существует психологическая причина, заставляющая ученых придерживаться такого взгляда: если структура Вселенной может быть описана простыми физическими законами, появляется надежда, несмотря на ограниченность человеческого разума, рано или поздно понять эту структуру. Если допустить, что наша Вселенная бесконечно сложна, то нужно признать, что человеку с его ограниченным умом, знаниями и возможностями будет очень трудно понять ее структуру.

              Следует признать возможность того, что представления ученых о том, что физические законы открытые ими в лабораториях, на Земле, действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря, необоснованны. С одной стороны без таких допущений не может обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной, ведь мы не можем вернуться на миллиарды лет назад и получить прямую информацию о зарождении нашей Вселенной. С другой стороны, многие ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченных знаний на мироздание в целом. Возможно, сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна и сопряжена с трудностями принципиального характера.

              Первой проблемой является понятие «сингулярности». Профессор радиоастрономии Манчестерского университета Б. Лоувел писал о сингулярности следующее: «В попытке физически описать исходное состояние Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это препятствие преодолимым. Может все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной, заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной научной мысли».

На сегодняшний день это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теорию Большого взрыва. Таким образом, данная теория сталкивается с непреодолимыми проблемами буквально с самого начала, в большинстве научно-популярных изложений теории большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь. В специальных же статьях ученые признают их главным препятствием. Профессора математики С. Хоукинг из Кембриджа и Г. Эллис из Кейптауна отмечают в своей монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени» отмечают: «… результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определенный момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность не подчиняется ни одному из известных законов физики».

              Если какая-либо модель Вселенной постулирует сингулярность, это, несомненно, создает большие теоретические трудности. Пытаясь уйти от ответа на вопросы, касающиеся сингулярности, ученые предложили теорию так называемой «Бесконечно пульсирующей Вселенной». В соответствии с этой теорией, Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности, затем вновь расширяется и снова сжимается. Эта теория, на первый взгляд, снимает вопрос о происхождении Вселенной – у нее нет начала и конца, она существует вечно. Но до сих пор никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования. Кроме этого С. Вайнберг в своей работе «Первые 3 минуты» утверждает, что каждый цикл расширения и сжатия должен приводить к определенным прогрессирующим изменениям, а это значит, что у Вселенной должно быть начало, иначе вся история Вселенной будет регрессом, растянувшимся на вечность.

              Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою теорию Большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться быстрее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартной теории Большого взрыва. Однако и эта модель не лишена недостатков и основным является то, что для того, чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задать исходные параметры для своих уравнений. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их модели «расчеты приводят к приемлемым результатам только в случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком диапазоне. Большинство теоретиков считают исходные условия маловероятными».

              Теория большого взрыва не дает однозначно объяснения происхождения галактик, представленные в данной работе два взгляда на эту проблему не являются единственными. С. Вайнберг в своей книге «Первые 3 минуты» пишет: «Теория возникновения галактик представляет собой одну из самых трудных проблем астрофизики, проблем, еще очень далеких от разрешения».

              Все современные космологические теории опираются не только на классическую физику, но и на квантовую механику, которые принципиально отличается друг от друга. Если классическая физика занимается описанием поведения материальных объектов, то квантовая механика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения. Таким образом, вещественная материальная реальность исчезает из ее поля зрения. В квантовой механике наряду с объектом и инструментами исследования третьим элементом анализируемой картины становится наблюдатель. Поэтому применение квантовой механики для описания Вселенной сопряжено с трудностями, ведь по определению все наблюдатели являются частью Вселенной и лишены возможности быть сторонним наблюдателем. В попытке сформулировать версию квантовой механики, которая не нуждается в постороннем наблюдателе, известный физик Дж. Уилер предложил модель, в соответствии с которой Вселенная постоянно расщепляется на бесконечное количество копий. Каждая параллельная Вселенная имеет своих наблюдателей, которые видят данный конкретный набор квантовых альтернатив, и все эти Вселенные реальны.