Реферат: Происхождение Вселенной

Происхождение вселенной

Понятие «Вселенная»означает Космос, доступный человеческому наблюдению. Вселенную изучает наука космология. Еецель  выявление и изучение законов,функционирующих во Вселенной. Вселенная упорядоченноецелое, значит, космология открывает и изучает упорядоченность Вселенной.

Несколько предпосылок этого изучения:

1.<span Times New Roman""> 

считается, что формулируемые физикойзаконы Функциониро
вания мира действуют вовсей Вселенной;

2.<span Times New Roman"">          

считается,что наблюдения астрономов также распространяются
на всю Вселенную;

3.<span Times New Roman"">          

считается,что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип).

Выводы космологии называются моделямипроисхождения и разви­тияВселенной. Первые научно-обоснованные модели Вселенной появи­лись после открытий Коперника,Галилея и Ньютона. Они обосновывали бесконечность мира во времени и пространстве. Однако космология столк­нуласьтогда с парадоксами.

Гравитационный парадокс: согласноньютоновскому понятию гра­витациибесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения.Бесконечно возрастающее тяготение неиз­бежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечнымскоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти сувеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогдаполучается, что Вселенная не может существовать вечно.

Решая эту проблему, И. Кант сделалвывод о нестатичности Космо­са. Туманности он называл «мировымиостровами». Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличиваетсяи расстояние между нимитак, что суммарные силы Космоса остаются ко­нечными. Тогда парадоксразрешается.

Фотометрический парадокс (парадоксОльберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд,небо должно быть равномерноярким. На самом же деле такого не наблюдается. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака,которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой послесоздания модели расширяющейся Вселенной.

Модель однородной изотропнойнестационарной горячей расши­ряющейся Вселенной построена на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения А.Эйнштейна.

Когда Эйнштейн работал над своейобщей теорией относительно­сти,Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не бы­ли открыты Метагалактика и еерасширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарнойВселенной, которая равномерно напол­нена Галактиками, находящимися нанеизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения, по­этому Эйнштейн произвольно ввел всвои уравнения малую величину -космическое отталкивание.

В основе модели расширяющейсяВселенной лежат следующие предположения:

1.<span Times New Roman""> 

свойства Вселенной одинаковы во всехточках (однородность);

2.<span Times New Roman"">          

свойстваВселенной одинаковы во всех направлениях (изотропность);

3.<span Times New Roman"">          

кривизнапространства связана, с плотностью массы (энергии).

Советский физик А. А. Фридман в 1922г. заметил, что из теории относительностивытекает нестационарность искривления пространства. К такому же выводу пришел голландскийастроном В. де Ситтер. Он факти­чески предсказал расширение Вселенной. Однако до открытия американ­цемЭ. Хабблом «красного смещения» эти гипотезы воспринимались как казус.

Красное смещение — это понижениечастот электромагнитного излу­чения, линии спектра в его видимой части смещаются к его красному, кон­цу. Красные волны более длинные.Согласно эффекту Доплера, при удале­нии источника колебаний воспринимаемаячастота колебаний уменьшает­ся, а длина волны увеличивается, Хаббл зафиксировал красное смещение для всех далеких источников света. Чемдальше был источник, тем больше было смещение. Следовательно, гипотеза о расширении Вселенной подтвердилась.

Хаббл вывел формулу, из которойвыводилось, что все вещество во Вселенной было сконцентрировано в одной точке, откуда оно разлетелось в момент взрыва, который и породилВселенную. Этот Большой Взрыв, со­гласно выведенным из формулы Хаббла данным, произошел млрд. лет на­зад.Учитывая приближенность этой оценки, рождение Вселенной относят ко времени12-18 млрд. лет назад.

Большой Взрыв не был похож напривычные нам земные взрывы, когда существует определенный эпицентр. БольшойВзрыв произошел од­новременно везде, с самого начала он заполнил всепространство. Любая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы.Сингуляр­ная точка — начальное состояние Вселенной- характеризуется бесконечнойплотностью массы, бесконечной кривизной пространства и взрывным, за­медляющимся со временем, расширением.Тогда существовала только смесьэлементарных частиц.

Есть гипотеза, что Вселеннаяобразовалась из вакуума. Вакуум — не совсем «ничего». Этосвоеобразная форма материи, которая при опреде­ленных условиях может рождать частицы. Вакуум можетприйти в возбуж­денноесостояние, вследствие чего образуется поле, а из поля может обра­зоваться вещество. В вакууме частицыотсутствуют, но может происходить случайная флуктуация.

Флуктуация — появление виртуальныхчастиц, которые непрерыв-но рождаются и сразу же уничтожаются, но участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаряфлуктуации вакуум приобретает осо­бые свойства.

Расширение Вселенной проявляется науровне галактик. Центра, от которого галактики «разбегаются», не существует.

Идею Большого Взрыва выдвинул ученикФридмана Гамов. Он рас­сматривалраспространение химических элементов во Вселенной и пред­положил, что элементытяжелее гелия родились не в звездах, а в момент возникновения Вселенной. Позаконам термодинамики при высоких плот­ностях и температурах разогретоевещество и излучение находятся в рав­новесии. Излучение продолжает движение вместе с веществомв расши­ряющейся Вселенной и сохраняется до нашего времени. При этом его температура понизилась.

Теория горячей Вселенной объясниласоотношения водорода и ге­лияв современной Вселенной исходя из ядерных реакций в горячей ранней Вселенной. Большинство звезд состоитиз водорода и гелия. Углерод обра­зуется из трех ядер гелия в центре звезды.

Начальную стадию образования Вселеннойделят на эры:

1.<span Times New Roman"">

эра адронов. Велика энергиягамма-квантов. Существуют только
частицы больших масс, таккак очень высока температура. Существуют адроны и лептоны. Первые участвуют в сильных и быстрыхвзаимодействиях, вторые- в слабых и медленных.

2.<span Times New Roman"">  

эра лептонов. Основную роль играют легкие частицы, которые
принимают участие в реакциях междупротонами, и нейтронами.

3.<span Times New Roman"">  

эра фотонов. В первые 5 минут этой эрыпроизошли события, определившиеустройство нашего мира. Уменьшилась температура, количество протонов увеличилось, т. к.реакции с участием протонов более энергетически выгодны. Нейтронов осталось около 15%.

4.<span Times New Roman"">  

эра излучения. Нейтроны захватываютсяпротонами и происходит
образование ядер гелия.Температура еще понизилась, плотность вещества
уменьшилась и создалисьусловия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества. Закончилась начальнаястадия образованияВселенной.

5.<span Times New Roman"">  

эра вещества. Излучение играетглавную роль, образуется гелий.
В конце эры главную рольначинает играть вещество.

6.<span Times New Roman"">  

звездная эра. Начинается процессобразования протозвезд и про-
тогалактик.

Теория горячей Вселенной успешнообъясняет многие явления, од­нако крупномасштабное скручивание галактик или существование кваза­ров она не могла объяснить.

Существует еще модель раздувающейсяВселенной. Согласно ей, в ранний период существования Вселенной было сильное иочень кратко­временноеего раздувание. Во время раздувания все локальные скручива­ния сильно расширились. Эта модельприводит к выводу о том, что Все­ленная, которую мы наблюдаем, только частьВселенной. Эта модель объ­ясняет и реликтовое излучение, и красное смещение, ипервоначальное со­держание легких элементов. Она исходит из того, что законыфизики не менялись, и состояние первоначальной Вселенной описывается квантовой гравитацией.

В современной космологии моделигорячей Вселенной и раздуваю­щейся Вселенной дополняют друг друга.

Эволюция и строение звезд

Теория Большого Взрыва и расширяющейсяВселенной повлияла на моделиобразования небесных тел. В. Амбарцумян выдвинул гипотезу о возникновениигалактик, звезд и планет из сверхплотного до-звездного вещества, состоявшего из самых тяжелыхэлементарных частиц — гиперо­нов.

Все небесные тела либо испускаютэнергию (звезда), либо нет (пла­неты, кометы, метеориты, космическая пыль).Звезды производят химиче­ские элементы, дают свет и (в случае нашего Солнца) — жизнь. Звезды по сложныморбитам движутся вокруг центра Галактики. Самые крупные звезды называются красными гигантамии сверхгигантами, Когда звезда исстрачивает свое водородное горючее, онасжимается до бесконечной плотности, притом масса остается прежней. Тогда звездапревращается в белогокарлика.

Откуда звезда берет свою энергию?Английский ученый Эддингтон объяснил энергию звезд термоядерными реакциямисинтеза гелия из водо­рода.Масса ядра гелия превышает массу ядра водорода почти в 4 раза, и это являетсяэквивалентом огромной энергии. При огромной температуре, которая существует вцентре звезды, где происходит этот процесс, атомы теряют свои оболочки. С точкизрения квантовой механики существует ве­роятность преодоления барьера,окружающего ядро протона, протоны сталкиваются друг с другом, протонпревращается в нейтрон, рождается тяжелый водород и начинается термоядернаяреакция, которая и является источником энергии звезд.

 Звезды — шары из газа в состоянии плазмы,находящиеся в лучистом равновесии. Эддингтон вычислил, что в центре звездытемпература 15 млн. градусов.

Термоядерные реакции идут в центрешара радиусом 250 тысяч км. Эту область окружает зона лучистого переносаэнергии, в которой термо­ядерные реакции не происходят. Далее следует зонаконвекции, в которой энергия переносится на поверхность. Конвекционная зонаобеспечивает нагревание солнечной короны и хромосферы. Солнечную коронуобразует газ, который непрерывно истекает в межпланетное пространство. Здесь ду­етсильный солнечный ветер. На расстоянии земной орбиты скорость сол­нечного ветрапримерно 400 км/сек. За 1 млрд. лет Солнце теряет 1/100 своей массы.

В 1900 г. американец Э. Пикеринг ввелспектральные классы, обо­значив их буквами латинского алфавита. Каждый класспотом разбили на группы от 0 до 9. По спектру наше Солнце в классе О2. Посветимости звезды разделены на 7 классов, их обозначают римскими цифрами. Класссветимости пишут после спектрального класса. Наше Солнце обозначается какзвезда класса С2У.

Чем меньше масса звезды, тем меньшеее поверхностная температу­ра, следовательно, ее спектральный класс болеепоздний.

Звезды эволюционируют так: из облакагаза и пыли в результате возникновения гравитационной неустойчивости ипоследующего за ним сжатия возникает протозвезда. Гравитационная энергияспособствует разо­греву внутренних слоев, происходят вспышки поверхности.Наконец, достигаетсятемпература, необходимая для начала термоядерной реакции. То­гда протозвездастановится звездой. Этот путь наша Солнце проделало примерно за 2 млн. лет.

Когда выгорает водород, повышаетсядавление в оболочке, расши­ряютсяверхние слои звезды. Развивается протяженная зона конвекции, и звезда становится красным гигантом. Вблизиядра температура высокая, но атмосфера холодная, и она отбрасывается огромным давлением и превра­щается в газовую туманность.

Возможно превращение звезды в пульсар.Стадия пульсации длится недолго(для мегамира) — несколько миллионов лет. После этого звезда становится белым карликом. Эта жесудьба ждет и наше Солнце, но через миллиарды лет.

Существуют переменные звезды — ихблеск меняется либо периоди­чески, либо беспорядочно. Обнаружено более 14 тысяч переменных звезд.

В нашей Галактике происходит в годпримерно 100 вспышек новых звезд. Сейчас ясно, что новые звезды — двойныесистемы. Притом вспыхи­ваетзвезда с меньшей массой. Вспышка говорит о гибели звезды. Наибо­лее мощные вспышки называютсверхновыми звездами. Крабовидная ту­манность — результат вспышки сверхновой звезды, ее в 1054г. наблюдали китайскиеастрономы. В нашей Галактике за всю историю наблюдений вспыхивало только три сверхновыхзвезды. Это было в 1054, 1572 и 1604 годах. Кроме того, наблюдаются туманности, которыеявляются остатками вспышек. В нашей Галактике их около 10.

При вспышках сверхновых звезд какконечная стадия эволюции массивных звезд могут образоваться нейтронные звезды.Если при вспыш­кесверхновой сжатие ядра неостановимо, начинается гравитационный коллапс. Тогда звезда превращается в«черную дыру».

Эволюция Галактики

Галактика — гигантское скоплениезвезд и звездных систем. Каждая галактика имеет свое ядро (центр) и различныеформы.

Формы галактик: сферические,спиралевидные, эллиптические, сплюснутые, неправильные.

Галактик так же много, как и звезд,Хаббл подсчитал, что на 1 кв. градус на небесной сфере приходится в среднем 131 галактика. Он же сде­лалвывод о том, что галактики в Космосе распределены почти равномерно по всемнаправлениям (изотропность).

Галактики образуют скопления исовершают собственные движе­ния. Благодаря красному смещению можно оценить расстояние до галак­тик и до края видимой Вселенной — Метагалактики.

Галактическое ядро является источникомэнергии. Наиболее энерге­тическимощны активные спиральные галактики с развитыми ядрами. Ак­тивность ядра галактики связана совзрывом. Многие исследователи счи­тают, что в ядрах гигантских эллиптических галактик должны быть гигант­скиечерные дыры, которые появились там в ходе эволюции.

Наша Галактика — рядовая звезднаясистема. Она видна всем нам в безлунную ночь — это Млечный Путь. Галактика состоит из 200 млрд. звездгелия из водо­рода. Масса ядра гелия превышаетмассу ядра водорода почти в 4 раза, и это является эквивалентом огромной энергии. При огромнойтемпературе, которая существует в центре звезды, где происходит этот процесс,атомы теряют своиоболочки. С точки зрения квантовой механики существует ве­роятность преодоления барьера,окружающего ядро протона, протоны сталкиваются друг с другом, протон превращаетсяв нейтрон, рождается тяжелый водород и начинается термоядерная реакция, котораяи является источникомэнергии звезд.и имеетдовольно сложную фигуру — что-то похожее на диск с утолщением в центре. Возрастзвезд, составляющих Галактику, различен. Здесь есть и протозвезды, и молодые звезды (ихвозраст только сотни тысяч лет), и звезды, возраст которых совпадает с возрастом Вселенной (15 млрд. лет).Звезды, составляющиеГалактику, принято называть звездным населением. Кроме их, в Галактике существует межзвездный газ,но его масса невелика — около 2-5% всей массы Галактики.

Старое население Галактикиконцентрируется ближе к центру, обра­зуя утолщение, а молодое население концентрируется втонкий диск. Со­ветскийученый Б. В. Кукаркин выделил в Галактике плоскую, промежу­точную и сферическуюподсистему. Они различаются по степени сосредо­точенности звезд. Все население вращается вокруг центраГалактики. Наше Солнцедвижется со скоростью 240 км/час. Полный оборот вокруг центра Галактики Солнечная система совершаетза 230 млн. лет — это галактиче­ский год.

Возраст нашей Галактики около 13 млрд.лет. Первоначально она быламедленно вращающимся газовым облаком огромных размеров. Обла­ко сжималось благодаря гравитации. Входе этого процесса рождались первые звезды. Скорость вращения росла. Центробежные силы возросли ипрекратили сжатие поперек оси вращения, вдоль же оси сжатие продолжа­лось. Отсюда форма нашей Галактики — тонкий диск. Сложная форма мог­ла образоваться и потому, что в процессезвездообразования были разры­вы. Если процесс звездообразования непрерывен, галактика имеет эллип­соидальную форму.

Солнечная система расположена почтина краю Галактики, что го­воритоб ее относительной молодости. Возраст Солнца — около 5 млрд. лет.

Эволюция Солнечной системы

Наука пока не знает других планетныхсистем, кроме Солнечной. В Солнечной системе 9 планет: Меркурий, Венера, Земля,Марс, Юпитер, Сатурн,Уран, Нептун, Плутон. Кроме Плутона, планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, имеютнезначительные наклоны плоскости орбит. Почти у всех планет есть спутники.

Начиная с XVII в., ученые предлагают различныенаучные гипотезы происхожденияСолнечной системы. Так, И. Кант предполагал, что Сол­нечная системаобразовалась из «хаоса» — космического облака. Поскольку существуют силы притяжения иотталкивания, в хаосе зародились круго­вые движения. Планеты образовались из сгущений,возникших в туманно­сти, и, благодаряцентробежной силе, стали вращаться вокруг центра. Идею Канта в целом поддержал У. Гершель. Он считал, что звезды образо­вались при медленном сгущении газовой материи.Гершель думал, что га­лактические туманности тоже состоят из газовой материи.Лаплас считал, что первоначальноСолнце было звездой таких огромных размеров, что его размеры превышали радиус орбиты Юпитера.Постепенно и медленно вращаясь, этоСолнце охлаждалось и уменьшалось в размерах. При этом от Солнца отделялись газовые кольца. Из этих колец,с точки зрения Лапласа, образовалисьпланеты. Сами планеты тоже образовывали газовые кольца, из которых получились спутники.

Теория Канта-Лапласа, котораяназывается небулярной гипотезой, господствовала в науке до конца XIXв. Но эта теория немогла объяснить, почему увнешних планет-гигантов большие орбиты, почему вращение Солнца медленное и, главное, почемумомент количества Солнца меньше момента количества планет почти в 29 раз, еслиСолнечная система изоли­рована? Значит, была внешняя сила, которая вмешалась вразвитие Сол­нечной системы? Ответ на эти вопросы вызвал к жизникатастрофические теории возникновения Солнечной системы. Согласно одной из них,непо­далеку от Солнцапрошла другая звезда, это вызвало возникновение газо­вых струй, из которых и возниклипланеты. Орбиты планет были сначала сильно вытянуты, но, из-за огромногосопротивления пылевой среды меж­ду двумя звездами, постепенно стали круговыми.Из этой гипотезы выте­кает, что образование планетной системы — явлениеуникальное, ибо близ­кое прохождение звезд бывает крайне редко.

Советский ученый В. Г. Фесенков далобъяснение происхождения планет,исходя из процессов, происходящих внутри Солнца. Он считал, что планеты образовывались во времяперехода от одного типа ядерных реак­ций внутри Солнца к другому. Этот переходопределялся прежде всего температурнымиусловиями.

Около 5 млрд. лет назад наше Солнцестало протозвездой. В резуль­тате действия центробежных сил в экваториальной части Солнца образо­валсягазопылевой диск. Этот диск рос, в нем возникали условия для рож­дения планет.В течение почти 100 млн. лет шли процессы, приведшие к началу термоядерных реакций. Солнце«загорелось». В газопылевом диске, который теперь имел вид кольца, пылинки слипались междусобой. Внут­ренняя часть кольца нагревалась Солнцем, это вызывало испарение,сол­нечный ветер гналлегкие элементы в более дальние области кольца, где они охлаждались. Планеты-гигантыобразовывались дольше, чем планеты земной группы. За 100 млн. лет, когда планеты земной группы уже образо­вались,в гигантах сформировались только ядра. Потом они аккумулирова­ли газ из окружающего пространства,образовав свои атмосферы. Более дальние планеты формировались еще дольше. Естьгипотеза, что они — ос­тывшие звезды, притом они остыли раньше, чем Солнцестало звездой.

Процесс образования каждой планеты имеет свои особенности.

Наша Земля родилась около 5 млрд. летназад на расстоянии 150 млн.км от Солнца. Сперва на ней не было атмосферы. Атмосфера рожда­лась в процессевулканической деятельности. Одновременно возникали океаны — места, в которыхконденсировались водяные пары. Первичная ат­мосфера была гораздо плотнеесовременной и состояла в основном из уг­лекислого газа. Примерно 2 млрд. лет назад произошлорезкое изменение составаатмосферы, которое было связано с возникновением жизни: первые растения поглотили большую частьуглекислого газа и дали в атмосферу кислород. Вот уже 200 млн. лет, как темная атмосфера практически не из­менилась.

Солнце и Луна влияют на Землю: онивызывают приливы, кроме то­го,Земля удлиняется до 30 см под их влиянием. Из-за приливных сил воз­никает сила трения, которая замедляетвращение Земли вокруг оси. Отсюда

— удлинение суток. Сейчас известно,что удлинение суток составляет 0,002 с за 100 лет.

Все тела Солнечной системы построеныиз небольшого числа эле­ментови имеют единое происхождение. Древняя Земля была радиоактив­на. Это очень важно, потому чторадиоактивность способствовала образо­ванию твердых ядер у планет. Кроме того,распадались неустойчивые ато­мы и образовывались новые химические элементы.Радиоактивные изото­пы,распадаясь, выделяют тепло. Т. к. Земля теряет тепло, отдавая его в Космос, то тепло, произведенное засчет радиоактивности, поддерживало тепловой баланс Земли. Со временем радиоактивность уменьшилась.

Вся история Земли делится на двечасти: более древняя охватывает интервал времени от 570 до 3800 млн. лет назади называется криптозоем. Более молодая — 570 млн. лет — называется фанерозоем.

Этапы развития Земли с точки зренияхимико-биогенного осадкооб­разования:

1.<span Times New Roman"">

Первичный океан и первичная атмосфера.Живое существует в
очень ограниченныхмасштабах. Океан — весьма кислый раствор. Атмосфе­
ра состояла в основном изуглекислоты. Образовывались первичные оса­
дочные породы.Поверхность Земли состояла из неглубокого океана, из ко­
торого выступали в видеостровов вулканы. Климат был влажный, везде
одинаковый.

2.<span Times New Roman"">   

Первые организмы. Появляется суша:рождались горные цепи,
выравнивались участкимежду ними. В океан с поверхности сносилось
много элементов, в т.ч. карбонатов. Это способствовало исчезновению
сильной  кислотности, возникновению  карбонатных  солей.  Атмосфера
очищалась от аммиака иметена, все большую роль начинает играть азот.
Появились климатическиезоны: сухого, холодного, влажного климата.
Появились глинистые минералы, которыеспособствовали образованию
кристаллических сланцев.

3.<span Times New Roman"">   

Земная кора растет, откладываютсяосадочные породы. Возникли
континенты. Появилсяфотосинтез. Кислород стал быстро менять состав
атмосферы, океан такжеобогащается кислородом. Накапливались огром­ные толщи пород, содержащие железо в различных формах.

4.<span Times New Roman"">   

Появились две платформы — Гондвана иЛавразия. Развиваются
все известные сейчасформы осадочных пород внутри континентов. Жизнь
вышла из воды на сушу,меняет мир вокруг себя.