Выполнили: ученицы 11 класса б моу
жүктеу/скачать 387.03 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- История открытия Большого взрыва
- История термина
- Критика теории Большого взрыва
Выполнили: ученицы 11 класса Б МОУ «СОШ №5» Гланская Татьяна Кутейникова Елена Содержание
Введение. Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной. Размеры метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд. световых лет. Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается. С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горячего протовещества. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширятся. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В этих комплексах, в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Строение Галактики. Виды Галактик. Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце - одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости. Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики. Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов. Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, - звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи. Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, - это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы - диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, - планетарные. Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения - пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн. Пространство в Галактике заполнено везде - разреженным межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля - гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию. Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет. Эволюция вселенной Вопрос об эволюции вселенной всегда был открытым для человечества. Звёздное небо над головой долгое время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что "неподвижные" звёзды на самом деле движутся, причём с огромными скоростями. В XX в. человечество свыклось с ещё более странным фактом: расстояния между звёздными системами - галактиками, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. И дело здесь не в природе галактик сама Вселенная непрерывно расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих основополагающих принципов: все вещи меняются в этом мире, но мир в целом всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием XX в. Всё началось, когда Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. В её уравнениях описаны фундаментальные свойства материи, пространства и времени. ("Относительный" по-латыни звучит как rela-tivus, поэтому теории, основанные на теории относительности Эйнштейна, называются релятивистскими.) Применив свою теорию ко Вселенной как целой системе, Эйнштейн обнаружил, что такого решения, которому соответствовала бы не меняющаяся со временем Вселенная, не получается. Этот результат не удовлетворил великого учёного. Чтобы добиться стационарного решения своих уравнений, Эйнштейн ввёл в них дополнительное слагаемое - так называемый ламбда-член. Однако до сих пор никто не смог найти какого-либо физического обоснования этого дополнительного члена. В начале 20-х гг. советский математик Александр Александрович Фридман решил для Вселенной уравнения общей теории относительности, не накладывая условия стационарности. Он доказал, что могут существовать два решения для Вселенной: расширяющийся мир и сжимающийся мир. Полученные Фридманом уравнения используют для описания эволюции Вселенной и в настоящее время. Все эти теоретические рассуждения никак не связывались учёными с реальным миром, пока в 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл не подтвердил расширение видимой части Вселенной. Он использовал при этом эффект Доплера. Линии в спектре движущегося источника смещаются на величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения её спектральных линий. Ещё во втором десятилетии XX в. американский астроном. Всего Слай-фер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что они удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду. Хаббл определил расстояния до небольшого числа галактик и их скорости. Из его наблюдений следовало, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Закон, по которому скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла. Означает ли это, что наша Галактика является центром, от которого и идёт расширение? С точки зрения астрономов, такое невозможно. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен увидеть ту же картину: все галактики имели бы красные смещения, 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, причём 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 звёздные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объём. Это объясняется тем, что составляющие их звёзды связаны между собой силами гравитации. Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо. Самые далёкие из известных галактик и ква-заров имеют такое большое красное смещение, что длины волн всех линий в их спектрах оказываются больше, чем у близких источников, в пять-шесть раз! Но если Вселенная расширяется, то сегодня мы видим её не такой, какой она была в прошлом. Миллиарды лет назад галактики располагались значительно ближе друг к другу. Ещё раньше отдельных галактик просто не могло существовать, а ещё ближе к началу расширения не могло быть даже звёзд. Эта эпоха - начало расширения Вселенной - удалена от нас на 12-15 млрд лет. Оценки возраста галактик пока слишком приближённы, чтобы уточнить эти цифры. Но надёжно установлено, что самые старые звёзды различных галактик имеют примерно одинаковый возраст. Следовательно, большинство звёздных систем возникло в тот период, когда плотность вещества во Вселенной была значительно выше современной. На начальной стадии всё вещество Вселенной имело настолько высокую плотность, что её даже невозможно себе представить. Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввёл в 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр, а предположение, что первоначальное вещество было очень горячим, впервые высказал Георгий Антонович Гамов в 1946 г. Впоследствии эту гипотезу подтвердило открытие так называемого реликтового излучения. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим Взрывом. Теории эволюции Вселенной. Существовало и существует множество теорий эволюции Вселенной. 1.Теория Вечной Вселенной. Как известно, в звездах идет ядерное сгорание водорода с превращением его в гелий. Не рассматривая здесь других ядерных реакций, которые могут протекать в недрах звезд, скажем, что синтез гелия из водорода является главнейшим источником энергии во Вселенной из числа известных. Возникает вопрос о том, есть ли предел горючему - водороду, насколько долго хватит его? По одной из версий, опирающихся на философские измышления о постоянстве и вечности Вселенной, где-то во Вселенной существуют источники образования водорода, по сути, из ничего. Философские принципы нередко перекликаются с научными. Но одна из главных опор современной научной мысли - законы сохранения - не позволяют большинству ученых принять эту модель вечной Вселенной. Идея о возможности появления чего-то из ничего противоречит научным принципам. Вы в жизни встретите мало приверженцев изложенной гипотезы. 2.Теория пульсирующей Вселенной. По одной из гипотез, расширение Вселенной, которое наблюдается в нынешнее время, впоследствии сменится сжатием. Как считается, это произойдет из-за того, что разлетающиеся галактики замедляют свой бег, тормозясь взаимным гравитационным притяжением. В один из моментов галактики остановятся и начнут вновь сближаться. Кончится все должно тем же, с чего и начиналось: образованием сверхкомпактного объекта и новым Большим взрывом. Таким образом, согласно этой теории, Вселенная пульсирует. 3.Теория горячей Вселенной. По этим представлениям с небольшими модификациями Вселенная сначала представляла из себя одну сингулярную точку, которая по неизвестной причине «взорвалась», получив колоссальный импульс энергии, в результате чего появилась очень горячая Вселенная (Гамов, 1948), заполненная фундаментальными элементарными частицами, разлетающимися в разные стороны рис. 49). Гипотеза Г. А. Гамова о «горячей вселенной» построена на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения (реликтовое излучение [42}). Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется (сильно охлаждённым) и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна была лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К (сегодня определено как 2,725 К [60]) 4.Теории инфляции Вселенной. Центральной идеей этих моделей является предположение о чрезвычайно быстром раздувании (инфляции) Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва. Модель инфляции Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва позволила решить некоторые проблемы модели горячей Вселенной:благодаря крайне высоким темпам расширения на инфляционной стадии разрешается проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной: весь наблюдаемый объём Вселенной оказывается результатом расширения единственной причинно связанной области доинфляционной эпохи, на инфляционной стадии радиус пространственной кривизны увеличивается настолько, что современное значение плотности автоматически оказывается весьма близким к критическому, то есть разрешается проблема плоской Вселенной, в ходе инфляционного расширения должны возникать флуктуации плотности с такой амплитудой и формой спектра (т. н. плоский спектр возмущений), что в результате возможно последующее развитие флуктуаций в наблюдаемую структуру Вселенной при сохранении крупномасштабной однородности и изотропности, то есть разрешается проблема крупномасштабной структуры Вселенной. Модель горячей Вселенной и все модели инфляции отличаются только деталями начальной стадии эволюции Вселенной (стадия инфляции). В остальном они подобны. Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду из фундаментальных элементарных частиц с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением и очень быстрым расширением (раздуванием, инфляцией). Плотность энергии, температура и давление определяются их носителями (переносчиками). Не может быть температуры без каких-либо тел, потому что температура является эквивалентом скорости движения какого либо тела (корпускулы, элементарной частицы, атома, молекулы). То же касается энергии и давления. Поэтому, вероятно, первыми из сингулярной точки появились фундаментальные элементарные частицы и они были теми первичными носителями температуры, энергии и давления. Эти же частицы определили и пространство, которое они занимали в то время.Предполагается, что после окончания периода инфляции строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. 5.Эруптивные теории (теории распада). К ним относятся теории, разработанные армянской школой астрономии, основанной академиком Амбарцумяном В.А., который разработал новую гипотезу о дозвёздной материи, имеющую принципиальное значение. В отличие от классической (дисперсной) гипотезы, согласно которой звёзды формируются в результате конденсации (сгущения) ранее дисперсной диффузной материи из первичных элементарных частиц, новая гипотеза исходила из представления о существовании массивных тел — протозвёзд неизвестной природы, в результате распада которых формируются звёзды в ассоциациях. Ему принадлежит понятие об активных телах незвездной природы, входящих в состав ядер некоторых типов галактик. Его последователи, Маркарян Б.Е., Товмасян Г., Хачикян Э., Аракеляном М. и др., путем наблюдений ультрафиолетового и радиоизлучения ядер галактик, полностью подтвердили мировоззрения Амбарцумяна В.А. Эти теории хорошо согласуются с данными наблюдений за сверхдалекими объектами нашей Вселенной, отстоящих от нас на расстояниях и, следовательно, времени своего существования, на многие миллиарды лет, то есть, почти в самом начале времен. Квазары являются наиболее характерными объектами, наполнявшими Вселенную около 10 млрд лет назад. До недавнего времени в звездной астрономии считалось, что масса звезд не может превосходить массу Солнца более чем в 100 раз. В противном случае звезда окажется неустойчивой и распадется. Однако, Хойл и Фаулер предположили, что временами внутри ядер галактик, вследствие сгущения межзвездного газа, могут возникать «сверхзвезды» с массами, превосходящими солнечную в сотни тысяч и даже сотни миллионов раз. Согласно первоначальной идее Хойла и Фаулера сверхзвезды образуются в результате сгущения межзвездного газа. Но дело в том, что сжатие очень больших газовых масс, происходящее под действием собственной гравитации, как показал академик Я. Б. Зельдович, может при определенных условиях происходить без задержки. Повышение температуры и давления внутренней зоны такого сгустка оказывается недостаточным, чтобы воспрепятствовать дальнейшему сжатию. Происходит так называемый гравитационный коллапс—неудержимое сжатие всей массы газа. Любопытно, что масса вещества, принимающего участие в гравитационном коллапсе, должна составлять 107—108 солнечных масс. В результате появляются так называемые черные дыры – массивные тела, во много раз превосходящие массу Солнца, но сколлапсировавшие в сингулярную точку. Квазары, возможно являются черными дырами, но по какой-то пока неясной причине, в них происходит процесс антиколлапса – генерация и выделение больших масс вещества. На это же указывает большое сходство квазаров с ядрами спиральных и некоторых других галактик. Известно, что ядра спиральных галактик выделяют огромные массы газа, который сгущаясь образует звезды и из этих звезд образуются звездные рукава галактик. Эти рукава потому и закручены в виде спирали, потому что ядро галактики (квазар) вращается вокруг своей оси и звезды, имея центростремительное движение и постоянную линейную скорость движения, которую они получили в момент их образования возле ядра, постепенно уменьшают свою угловую скорость, удаляясь от центра галактик. В любом случае спиральность рукавов галактик указывает на происхождение звезд из вращающегося ядра галактик, которым является квазар.На еще большем удалении от нас, т.е., еще ближе к моменту Большого Взрыва, не видно уже никаких образований и тел типа квазаров, галактик или звезд, хотя в инфракрасном диапазоне видны гигантские неоднородности излучения, которые принимают за скопления звезд первого поколения. 6.Теория Большого Взрыва. Опираясь на научные данные, получившие подтверждение во многих развитых странах, почти все современные астрономы полагают, что начало Вселенной положил так называемый Большой взрыв. Все вещество Вселенной, по этой гипотезе, перед Взрывом находилось в шаре микроскопических размеров и, как не трудно сообразить, чудовищной плотности и температуры. Размеры зародыша сопоставляют с размерами атомного ядра, а это 10-15 метра Появление этого зародыша, во-первых, окутано научными спорами и тайнами, а во-вторых, послужило началом взрыва. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. Это в миллиард раз проще Вам принять на веру, чем здесь объяснить. События в первую секунду протекали весьма стремительно. Образовались частицы вещества, называемые кварками и антикваркми, и излучение (фотоны). В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение. К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества. Надо сказать, что названия "вещество" и "антивещество" условны. Сложись судьба Вселенной по-другому, состояли бы мы с Вами из антивещества. К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала попросторнее. Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 15 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым. П История открытия Большого взрыва
История терминаПервоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 (сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной). Он сказал: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной». На русский язык Big Bang можно было бы перевести как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который хотел вложить в него Хойл. После того, как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.
Критика теории Большого взрываНекоторые противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала, ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной. Существует также точка зрения о том, что законы Большого Взрыва действуют лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике). В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв - особенность лишь моделей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте - достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории. Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой. Если факт Большого взрыва почти никем не ставится под сомнение, то будущее и настоящее Вселенной окутано вопросами, сомнениями и спорами, спорами, спорами... Расширяющаяся Вселенная. Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих "неподвижных" звезд чуть-чуть меняют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века. Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной. Будущее: холодная Вселенная. С другой стороны, еще отнюдь не известно, достаточно ли вещества во Вселенной, чтобы гравитация смогла остановить разлет галактик. Больше того, по современным подсчетам вещества как раз не хватает, в 10 раз меньше, чем того требует теория пульсирующей Вселенной. Если вещества и впрямь нет, то, со временем, Вселенная остынет, исчерпав все горючее. Остывшая и вечно расширяющаяся Вселенная будет темной, холодной и безжизненной. Эдвин Хаббл. Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации галактик. Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида: 1. Эллиптические – обозначаемые Е (elliptical); 2. Спиральные (Spiral); 3. Неправильные – обозначаемые (irregular). Эллиптические галактики (рис. ) внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что Эллиптические галактики состоят из второго типа звездного населения. Они построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в тех галактиках где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы . Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой – большим или меньшим сжатием. С несколько однообразными эллиптическими галактиками контрастируют спиральные галактики являющиеся может быть даже самыми живописными объектами во Вселенной. У эллиптических галактик внешний вид говорит о статичности, стационарности Спиральные галактики наоборот являют собой пример динамики формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывает на мощное стремительное движение. Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающимися сходным симметричным образом и теряющая в противоположных областях периферии, галактики. Однако известны примеры большего, чем двух числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравны – одна значительно более развита чем вторая. Перечисленные типы галактик характеризовались симметричностью форм определенным характером рисунка. Но встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо закономерности структурного строения. Хаббл дал им обозначение от английского слова irregular – неправильные. Неправильная форма у галактики может быть, в следствии того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной в следствии искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По видимому эти оба случая встречаются среди неправильных галактик и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа. Подтип II характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках этого подтипа, например Магелановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры. Неправильные галактики другого подтипа обозначаемого III, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик подтипа III расположенных сравнительно близко (галактика в созвездии Льва.). Только 3 галактики можно наблюдать невооруженным глазом, Большое Магеланово облако, Малое Магеланово облако и туманность Андромеды. В таблицы приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба. (БМО, ММО – Большое Магеланов облако и Малое Магеланово облако.). Не вращающаяся звездная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются и имеют шарообразную форму. Если же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер. Особый интерес представляют галактики с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся галактика Лебедьl. Это слабая двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике Лебедьl безусловно очень редки в метагалактике, но Лебедьl не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200Мпс). Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника Лебедьl. Несколько ярких галактик, входящих в каталог, также отнести к разряду радиогалактик, потому что их радиоизлучение аналогично сильное хотя оно значительно уступает по энергии световому. Так же Хаббл, исследовав множество галактик, заметил интересную особенность: в среднем, чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется! Он даже установил коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактик и расстоянием до них. Хотя установленная им величина (постоянная Хаббла) и не была точной, сама идея пропорциональности между расстоянием и красным смещением в спектре галактики (читай, скоростью удаления) оказалась правильной. Почему же галактики от нас удаляются? Неужели мы находимся в центре Вселенной? Нет. Вспомним про то, что Вселенная расширяется. В расширяющемся шаре (представим себе Вселенную именно так, для простоты) друг от друга удаляются любые две наугад взятые точки. Нарисуйте на воздушном шарике несколько значков (галактик). Надувайте его. Заметьте, что удаляются друг от друга любые пары значков. Для определения расстояний до галактик важно точно знать постоянную Хаббла - величину, связывающую между собою скорость удаления галактик и расстояния до них. В точном определении постоянной тоже состоит задача наблюдательной астрономии. Космологическая значимость постоянной Хаббла такова, что величина, обратная постоянной Хаббла, задает возраст Вселенной. Для уточнения величины необходимо кропотливое сопоставление наблюдаемых красных смещений в спектрах недалеких галактик с расстояниями до них, определенными другими названными способами. А существует ли еще какой-нибудь способ измерения расстояний до далеких объектов? Оказывается, да.  
Г Альберт Эйнштейн в начале 20-го века изложил новую физическую теорию (Общую Теорию Относительности - ОТО), которая, во многом, перевернула мировоззрение всего научного мира. Одним из второстепенных выводов этой теории заключается в том, что гравитация может искривлять ход световых лучей. Если луч света (или фотоны - носители света) проходит недалеко от массивного небесного тела, то траектория распространения луча изгибается в сторону небесного тела под влиянием гравитационного притяжения. Теперь представим себе, что в пространстве в одну линию выстроились три небесных тела: Земля, массивная галактика и далекий, но достаточно яркий объект (см. рисунок). Искажаясь в гравитационном поле галактики свет от далекого объекта может так искривиться, что расходившиеся во все стороны лучи могут собраться недалеко от Земли. В таком случае, при рассмотрении с Земли, вокруг галактики должно появиться кольцо (кольцо Эйнштейна) - искаженное изображение далекого объекта! Если Вы заметили, то лучи в такой системе ведут себя как в собирающей линзе, поэтому само явление назвали гравитационной линзой. С помощью разработанных методов, в таких системах, путем решения во многом лишь геометрической задачи, удается напрямую определить расстояние до далекого объекта. К сожалению, осуществление такой ситуации с тремя объектами, которая была нами описана, маловероятно. Но ситуации, близкие к идеальной, во многих случаях встречаются. Правда, вместо кольца вокруг массивной галактики часто видны лишь три-четыре изображения далекого объекта или изображение в виде небольшой дуги, но суть от этого не меняется. Таким образом, ученые не так давно получили в свои руки новый инструмент для измерения расстояний, хотя таким способом можно измерять удаленность лишь единичных небесных тел, для которых произошло эдакое редкое совпадение. Сопоставив результаты измерения с результатами, основанными на определенном красном смещении, можно точнее узнать величину постоянной Хаббла. Исследования в этой области в наши дни активно ведутся. Итак, наша Земля образовалась около 4,5 млрд. лет назад и принадлежит Солнечной системе, где ведущая роль отведена Солнцу - одной из звезд Галактики, второй по величине среди галактик Местной группы. Местная группа является одним из скоплений, входящим в сверхскопление Девы . Сверхскопление Девы - одно из десятков, а может и сотен, тысяч сверхскоплений во Вселенной, возникшей после Большого взрыва около 15 миллиардов лет назад. Та часть Вселенной, которую мы можем сегодня наблюдать принято называть Метагалактикой. В зависимости от размеров Вселенной, Метагалактика может оказаться либо почти всей Вселенной, либо ее частью, возможно очень малой. Мы живем в расширяющейся Метагалактики; расширение метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого разбегаются галактики. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения метагалактики. Промежуток расширения равен 20-13 млрд. лет. Расширение метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между метагалактикой и вселенной, и пытались доказать, что расширение метагалактики подтверждает религиозное представление о божественности происхождения вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности это взрывы. Есть предположение, что расширение метагалактики также началось с явления напоминающего. Колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью. Расчеты выполненные астрофизиками свидетельствуют о том, что после начала расширения вещество метагалактики имело высокую температуру и состояло из элементарных частиц (нуклонов) и их античастиц. По мере расширения изменилась не только температура и плотность вещества, но и состав входивших в него частиц, т.е. многие частицы и античастицы манипулировали, порождая при этом электромагнитные кванты, излучения которые в современной нам метагалактики оказалось больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная материя. Эта теория называется теорией «горячей Вселенной» чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с близкой плотностью к плотности воды. Через несколько часов плотность почти сравнялась с плотностью нашего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет оценка средней плотности вещества в метагалактике приводит к значению порядка 10-28 кг/м3. Но все эти данные удалось получить только с помощью уникального сложного оборудования позволяющего расширить границы Вселенной. До сих пор человечество совершенствует его, изобретали все более гениальные приборы, но еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном. Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввел представление о некой единой беспредельности, не обладавшей ни какими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего – апейроне. Стихии мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворенные субстанции. Представление чистоматериальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V-IV в.в. до н.э.) о Всленной, состоящей из бескачественных атомов и пустоты. Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксиандр высказал идею изолированности Земли, в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля как и Солнце обращались вокруг некоего «гигантского огня». Шаррообразность Земли утверждал другой пифагорец Парменид (VI-V в.в. до н.э.) Гераклид Понтийский (V-IV в до н.э.) утверждал так же ее вращение вокруг своей оси и донес до греков еще более древнюю идею египтян о том, что само солнце может служить центром вращение некоторых планет (Венера, Меркурий). Французский философ и ученый, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию о эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентрализма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в.в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы. Солнечная система согласно Декарту, представляет собой один из таких вихрей мировой материи. Планеты не имеют собственного движения – они движутся, увлекаемые мировым вихрем. Декарт внес и новую идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих вокруг планет частицы давят друг на друга и тем вызывают явление тяжести (например на Земле). Таким образом Декарт, первым стал рассматривать тяжесть не как врожденное, а как производное качество тел. Великий немецкий ученый , философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновение такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях – начиная с планетной системных и кончая миром туманности. Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как и всё гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь дал принципиально новое объяснение. Эйнштейн раскрыл более глубокий смысл установленных зависимостей, эффектов уже связанных в некую физико-математическую систему (в виде постулатов Пуанкаре). Заменив в данном случае теорию абсолютности пространства и времени идей их относительности «Пуанкаре», которую теперь уже не связывали с идеей абсолютного в пространстве, абсолютной системы отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее кризисную ситуацию, в теоретическом осмыслении действия. Более того открылся путь для дальнейшего проникновения в свойства и законы окружающего мира, настолько глубоко, что сам Эйнштейн не сразу осознал степень революционности своей идеи. В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории относительности Эйнштейн, обобщая принципы относительности Галилея, провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в механических, но также электромагнитных явлений. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света. Впервые принципиально новые космогологические следствие общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата. Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах. Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находится в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной. Существует несколько теории эволюции: Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется в течении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится и произойдет остановка, а затем она начнёт сжиматься до тех пор пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв. Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет не начала, не конца. Она все время прибывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв будет расширятся до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет. Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них. Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчетов. В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно считать и понимать под «моментом рождения»тела или системы, то устанавливая возраст характеристики имеют ввиду две оценки: 1. Время, в течении которого система уже находится в наблюдаемом состоянии. 2. Полное время жизни данной системы от момента её появления. Очевидно, что вторая характеристика может быть получена только на основе теоретических расчетов. Обычно первую из высказанных величин называют возрастом, а вторую – временем жизни. Факт взаимного удаления галактик, составляющих метагалактики свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной. Что касается нашей солнечной системы, то различные ее планеты движутся на разных расстояниях от Солнца и получают неодинаковое количество солнечной энергии. В связи с этим. В солнечной системе может быть выделен своеобразный тепловой пояс жизни, в который входят Земля, Марс и Венера, а также Луна на первый взгляд физические условия на Луне полностью не исключает возможность существования живых организмов: на Луне отсутствует атмосферная оболочка, нет воды, температура изменяется от –1500С до +1300С, поверхность Луны подвергается постоянной бомбардировке метеоритами, космическими лучами, ультрафиолетовой радиацией Солнца и т.п И пока можно гадать о том, существует ли в природе высокоорганизованные формы жизни, способные развиваться при подобных условиях. Исключение могут составлять лишь микробы и бактерии, которые, как известно способны приспосабливаться к самым неблагоприятным условиям: нагревание и глубокое охлаждение; ультрафиолетовые и радиоактивные излучения: интенсивная радиация и т.д. В настоящее время ряд ученых считает, что на Луне имеются органические вещества . Они могли образоваться здесь на заре существования Луны или быть занесенными метеоритами . Высказываются предположения, что над слоем лунного грунта (10м) расположен целый мощный слой сложных органических соединений. Так же и Венера, если температура на её поверхности высока, то не смотря на наличие атмосферы , условия для жизни на этой планете малопригодны. Прошлое и будущее Вселенной описывают космологические модели, такие, например, как модель пульсирующей Вселенной. Космологические исследования требуют привлечения самой передовой техники и самых новейших физических теорий. Поиск скрытой массы, уточнение величины постоянной Хаббла, исследование природы квазаров и активных галактик - вот те проблемы, которые, может быть, помогут нам узнать точнее прошлое и будущее нашей Вселенной. Как знать, может быть, не исключено существование и других вселенных, с другим временем, пространством и законами?.. жүктеу/скачать 387.03 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
ри расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Кому-то такая Вселенная напоминает соты, кому-то - губку. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. Двадцать миллиардов лет назад в местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик. Как ясно из рассказанного, в состав начального вещества для строительства галактик входили лишь водород и гелий в соотношении три к одному. 
равитационные линзы.