| |||
Реферат: Эволюция ВселеннойСОДЕРЖАНИЕ |Введение |3 | ВВЕДЕНИЕ Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь,
светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную
часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где
находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной
части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не
находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид. Звезды верхней части главной последовательности, а особенно
сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое население. Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна
приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем. ЭЛЕМЕНТЫ КОСМОЛОГИИ Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до
огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не
будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную,
точнее, тем или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика – мир
атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но
существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением воображаемой однородной и изотропной Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались также модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель – это еще не само явление, а только более или менее точная его копия. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотропной Вселенной. В средние века многие ученые полагали, что Вселенная конечна и
ограничена сферой неподвижных звезд. Этой точки зрения придерживались даже С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 – 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям – в звездах), равномерно заполняющих Вселенную. Большое значение для развития современных представлений о строении и
развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная Одним из значительных следствий общей теории относительности является
вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной – нестационарности Критическое значение средней плотности вещества, от которой зависит характер его движения, [pic], где G – гравитационная постоянная, а H=75 км/с*Мпк – постоянная Подставляя нужные значения, получаем, что критическое значение средней плотности вещества [pic]г/см3. Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то в
будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности
равной или меньшей критической расширение не прекратится. Конечно, мы не
знаем средней плотности вещество во всей Вселенной, но можем подсчитать эту
плотность в доступной нашему изучению части Вселенной, т.е. в Современная космология считает, что в далеком прошлом, около 13 млрд.
лет назад, все вещество Метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме
и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не
существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого
сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Реликтовое излучение Основным достоинством любой теории является ее предсказательная сила. В этой модели предполагается, что на ранних стадиях эволюции Вселенной
была крайне высока не только плотность вещества, но и его температура. Но, как иногда бывает, этот реликт ранней Вселенной был открыт не в результате планомерных исследований, а практически случайно. Это открытие сделали в 1965 г. А.Пензиас и Р.Вилсон, а в 1978 г. за обнаружение реликтового излучения им была вручена Нобелевская премия по физике. Реликтовое, или микроволновое фоновое, излучение имеет тепловой
спектр, соответствующий температуре 2.7 К. Это соответствует температуре Когда говорят, что реликтовое излучение имеет тепловой спектр, то это означает, что спектр выглядит так, как будто на огромном расстоянии находится непрозрачная стенка, нагретая до температуры 2.7 градусов по шкале Кельвина. Реликтовые фотоны чрезвычайно многочисленны. В одном кубическом сантиметре содержится примерно 500 таких фотонов. Это в миллиард раз больше концентрации барионов, т.е. "обычного" вещества. Окружающие нас предметы состоят из атомов, основная масса которых сосредоточена в ядре. Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Такие частицы и называют барионами. Поэтому все окружающее нас вещество, а также вещество планет, звезд называют барионным веществом. Но из-за малой энергии фотонов их вклад в плотность Вселенной сейчас невелик (в 1000 раз меньше вклада "обычного", барионного, вещества). Однако, раньше ситуация была иной. В эпоху, когда температура излучения была гораздо выше, именно излучение играло основную роль во Вселенной. И сейчас реликтовое излучение влияет на некоторые космические процессы. Например, еще в 1941 г. было обнаружено, что нижние энергетические уровни молекулы CN возбуждены так, как будто они находятся в поле излучения с температурой в несколько градусов кельвина. Это обусловлено влиянием микроволнового фонового излучения, и оно могло быть открыто таким образом почти на 25 лет раньше. Реликтовые фотоны также могут в результате столкновений с частицами космических лучей образовывать новые частицы, "выедая" таким образом частицы с большими энергиями (Е>1020 eV). Микроволновое фоновое излучение обладает большой изотропией, т.е.
после учета поправок за счет движения наблюдателя (вращение Земли вокруг Из теории следует, что небольшая анизотропия все-таки должна существовать. Ведь вещество распределено равномерно только в масштабах порядка миллиарда световых лет. Неоднородности, связанные с образованием скоплений и сверхскоплений галактик, не могли не отразиться на реликтовом излучении. Поэтому и в распределении температуры реликтового излучения на небе должна существовать анизотропия, т.е. dT, разность температур, не равна нулю. И в 1992 г. такая анизотропия была обнаружена! Это удалось сделать с помощью наблюдений на спутниках COBE и Реликт-1. Небольшие обнаруженные неоднородности (флуктуации), ответственные за образование скоплений галактик с размерами в десятки мегапарсек, пришли к нам из той эпохи, когда Вселенной было всего 10-35 сек. и она находилась на стадии инфляции. Обнаружение и изучение реликтового излучения позволили сделать большой шаг в понимании структуры Вселенной и ее эволюции. Продолжаются новые исследования в этом направлении. ЭЛЕМЕНТЫ КОСМОГОНИИ Раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие (эволюцию)
галактик, звезд и Солнечной системы, называется космогонией (от греч. Астрономические наблюдения доказывают, что материя во Вселенной
находится в непрерывном развитии, в самых разнообразных формах и состояниях Раскрытие закономерностей зарождения и эволюции различных объектов Современная космогония в своих обобщениях опирается на достижения смежных с ней отраслей естествознания – физики, математики, химии, геологии. Формирование звезд и галактик Научные основы космогонии были заложены еще Н.Ньютоном, который
показал, что равномерное распределение вещества в пространстве является
неустойчивым и под действием собственной гравитации должно разделиться на
сжимающиеся сгустки. Теория образования сгустков вещества, из которых
формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком Эта теория в общих чертах подтверждается наблюдениями. Так, в Подобным образом можно объяснить и возникновение галактик, для
формирования которых условия были благоприятными на ранних этапах
расширения Метагалактики, когда температура вещества была близка к 106 К. Исходя из факта расширения Метагалактики, некоторые специалисты в
области космологии оценивают ее возраст величиной, обратной постоянной Эволюция звезд Возникшие в газопылевой среде Галактики сгущения, продолжающие
сжиматься под действием собственного тяготения, получили название
протозвезд. По мере сжатия плотность и температура протозвезды повышается,
и она начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра. После выгорания водорода в недрах звезды образуется гелиевое ядро, а
термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают происходить в
тонком слое у границы ядра. В самом гелиевом ядре при создавшейся
температуре ядерные реакции происходить не могут, и оно резко сжимается до
плотности свыше 4*106 кг/м3. Вследствие сжатия температура в ядре
возрастает. Рост температуры зависит от массы. Для звезд типа Солнца
температура ядра остается всегда меньше 80 млн. кельвинов. Поэтому его
сжатие приводит только к более бурному выделению ядерной энергии в тонком
слое у границы ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии
становится выше 80 млн. кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции
превращения гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические
элементы. Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение
газового давления, под действием которого фотосфера звезды расширяется. Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ее
ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. Эволюция массивных звезд происходит более бурно. В конце своей жизни
такая звезда может взорваться сверхновой звездой, а ее ядро, резко
сжавшись, превратится в сверхплотный объект – нейтронную звезду или даже
черную дыру. Сброшенная оболочка, обогащенная гелием и другими
образовавшимися в недрах звезды химическими элементами, рассеивается в
пространстве и служит материалом для формирования звезд нового поколения. Происхождение Солнечной системы Космогония по Лапласу Знать прошлое Земли практически важно для понимания строения и изменения ее недр, а последнее важно при поисках полезных ископаемых и для возможности предвидеть землетрясения. При установлении истории развития многолетних организмов мы можем
сопоставлять разные экземпляры их. Дубы и дубочки, сгнившие деревья говорят
нам о жизненном пути вековых деревьев, из которых ин одно не завершает его
целиком на наших глазах. Можно сравнивать друг с другом планеты в их
современном состоянии и пытаться судить по ним об эволюции Земли. Но нашу Философ Кант в середине XVIII века четко высказывал идею об эволюции мировых тел и, опередив ученых-астрономов, набросал мыслимую картину возникновения Солнечной системы из обширной туманности. Он рисовал ее в соответствии с тем, что тогда было известно науке о строении Солнечной системы, планет и туманностей, о законах природы. Кант смело отверг идею творения и нарисовал развитие миров происходящим в силу естественных законов природы. Независимо от Канта математик, механик и астроном Лаплас разработал подобную же картину происхождения Солнечной системы. Его рассуждения были строже и научнее. Мировоззренческое значение этих работ Канта и Лапласа было очень велико. Современники были потрясены величественной картиной мироздания, развернутой Лапласом. Эти работы, а также разработка идеи эволюции, в частности в области геологии, великим русским ученым М.В.Ломоносовым способствовали тому, что позднее ученые и других областей науки убедились в существовании развития в природе. Понятие об эволюции постепенно вошло и в другие науки. Лаплас, как и Кант, правильно подметил основные, известные в то время характерные черты Солнечной системы, которые должна объяснить теория их происхождения. Эти черты следующие: 1. Подавляющая часть массы системы сосредоточена в Солнце. 2. Планеты обращаются по почти круговым орбитам почти в одной и той же плоскости. 3. Все планеты обращаются в одну и ту же сторону; в ту же сторону обращаются вокруг планет их спутники и сами планеты вращаются вокруг своей оси. Во времена Лапласа уже отдавали себе отчет в том, что из совершенно
хаотического движения частиц правильное вращение возникнуть не может,
вопреки предположению Канта. Поэтому Лаплас начинает рассмотрение развития Она вращалась как твердое тело и в центре имела сгусток - зародыш
будущего Солнца. Притяжение к центру частиц туманности, простиравшейся
сначала за орбиту наиболее далекой из планет, заставляло ее сжиматься. При сжатии сгустков вследствие тяготения они сами могли отслаивать
кольца и порождать себе спутников. Если же в подобном кольце не было резко
преобладающего сгустка, «пожирающего» остальные, то оно разбивалось на
множество мелких тел; так, например, образовалось кольцо Сатурна. Подкупающей простоте и логичности этой схемы (бывшей общепризнанной более столетия) были впоследствии противопоставлены серьезнейшие возражения. Выяснились, например, следующие обстоятельства, неизвестные во времена Лапласа: 1. Плотность воображаемой газовой туманности Лапласа должна была быть так мала, что она не могла бы вращаться, как твердое тело. 2. Отрыв вещества происходил бы не кольцами, а непрерывно. 3. Кольца с массой, равной массе планет, не могли бы сгуститься, а развеялись бы в пространство. 4. Существуют планеты и спутники, вращающиеся или обращающиеся навстречу обращению планет около Солнца. 5. Один из спутников Марса обращается вокруг планеты быстрее, чем сам Марс, чего не может быть по теории Лапласа. Возник и ряд других теоретических возражений против теории Лапласа. Многие пытались подправить эту теорию, но безуспешно. Наука лучше познала свойства Солнечной системы и законы природы – пришлось искать новое объяснение происхождению этой системы. В 1919 г. английский астрофизик Джинс выдвинул предположение, что Пройдя в далеком прошлом близко от Солнца и снова исчезнув в
безвестной дали, пришлая звезда возбудила на Солнце мощную приливную волну. Современные гипотезы о происхождении Солнечной системы не могут
считаться с одними лишь механическими характеристиками Солнечной системы.
Теория, основы которой были заложены академиком О.Ю.Шмидтом, является наиболее разработанной, поэтому ее я и привожу. О.Ю.Шмидт исходил сначала из того, что метеоритное вещество как в форме более или менее крупных кусков, так и в форме пыли в изобилии встречается во Вселенной. Еще недавно это метеоритное вещество было известно нам только в пределах Солнечной системы, но теперь мы обнаруживаем его в огромных количествах и в межзвездном пространстве. Большей частью метеоритное вещество собрано в колоссальные космические облака – в диффузные светлые и темные туманности, содержащие также много газа. Впоследствии различные соображения привели советских ученых Совокупность газово-пылевых облаков вместе со звездами заполняет нашу
звездную систему – Галактику, причем их вещество сильно концентрируется к
плоскости ее симметрии – к плоскости экватора Галактики. Вместе со звездами
газово-пылевые облака участвуют во вращении Галактики вокруг оси. Наряду с
этим вращением вокруг центра Галактики и звезды, и газово-пылевые облака
имеют свои собственные движения, которые приводят к тому, что и звезды, и
облака то сближаются друг с другом, то расходятся. Иногда та или другая
звезда погружается на время в газово-пылевую туманность и пролагает в ней
себе дорогу. Многие пылинки падают на звезду в течение ее скольжения сквозь
туманность, а другие, изменив свои орбиты вследствие мощного притяжения
звезды, могут быть ею захвачены и делаются ее спутниками. Однако, чтобы
такой захват произошел, необходимо наличие особых благоприятных условий –
уменьшение относительной скорости пылинок благодаря притяжению близкой
звездой или, как показал Т.А.Агекян, благодаря столкновению пылинок друг с
другом. В подобном «удачном» случае огромное множество этих спутников
звезды, по гипотезе Шмидта, не покидает ее и после выхода из туманности. Облако, образовавшееся вокруг звезд, постепенно приобретало
линзообразную форму. Обращение частичек в нем вокруг звезды происходило
преимущественно, хотя и не исключительно, в одном каком-либо направлении В подобной звезде, окруженной линзообразным газово-пылевым облаком, В сонме пылинок, обращающихся около Солнца по пересекающимся и
различно вытянутым и наклоненным орбитам, неизбежно происходили
столкновения, и это вело к тому, что движения их осреднялись, приближались
к круговым и лежащим в близких друг к другу плоскостях. От этого вокруг Дальнейшая картина эволюции газово-пылевого диска вкратце представляется так. В уплотнившемся облаке возникали пылевые сгущения, в которых столкновения пылинок вели к их слиянию в твердые тела с поперечниками, как у современных астероидов. Множество их сталкивалось и дробилось, но более крупные из них, «зародыши» планет, - выживали и всасывали в себя окружающие осколки и остатки пыли, сначала присоединяя их при соударениях, а потом все больше за счет притяжения их. Плотные зародыши планет окружались при этом роями тел и их обломков, обращающихся вокруг них и давших при своем объединении рождение спутникам планет таким же образом, каким эти планеты возникли сами. Из линзообразной формы туманности, окружающей Солнце, и из
преобладания в ней движений, параллельных друг другу и направленных в одну
и ту же сторону, вытекают сразу основные характерные особенности строения Вращение планет вокруг своей оси, которое не могла объяснить ни одна из прежних теорий, теория Шмидта объясняет так. Под влиянием падения метеоритов на планету она должна прийти во вращение, и притом именно в том же направлении, в каком она вращается вокруг солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратом направлении, что и объясняет известный случай такого рода – вращение Урана. Здесь я привела представление лишь об одной – наиболее разработанной - из множества космогонических гипотез. Единого взгляда на процесс возникновения планет и спутников пока нет. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ Проблема жизни в космосе – одна из наиболее увлекательных и популярных проблем в науке о Вселенной, которая с давних пор волнует не только ученых, но и всех людей. Еще Дж.Бруно и М. Ломоносов высказывали предположение о множественности обитаемых миров. Изучение жизни во Вселенной – одна из сложнейших задач, с которой когда-либо встречалось человечество. Все данные о жизни вне Земли, носят чисто гипотетический характер. Так исследования внеземных, космических форм жизни помогло бы
человеку, во-первых, понять сущность жизни, т.е. то, что отличает все живые
организмы от неорганической природы, во-вторых, выяснить пути возникновения
и развития жизни и, в-третьих, определить место и роль человека во Было выдвинуто множество гипотез по этому поводу. Академик А.И. Поиск внеземных цивилизаций. Появление жизни вне Земли на любом уровне ее развития само по себе
замечательное явление. Но поиски жизни ведутся и на более высоком уровне
разума, другими способами. Разум ассоциируется с понятием цивилизация. Один из способов поиска ВЦ - радиоастрономический, заключается в подаче радиосигналов с Земли в определенные участки Вселенной. Сигналы содержат информацию о землянах и нашей цивилизации, вопросы о характере другой цивилизации, предложение установить взаимный контакт. Второй способ продемонстрирован при запуске автоматических
межпланетных станций для исследования внешних планет Солнечной системы, Поиски жизни вне Земли являются лишь частью стоящего перед наукой более общего вопроса о возникновении жизни во Вселенной. ФИЛОСОФСКО-МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет
большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние
представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие
так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который
определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной
происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то
время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет. Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально ЗАКЛЮЧЕНИЕ Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для
пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль
человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой
области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему
оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково
происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Воронцов-Вельяминов Б.А. «Очерки о Вселенной», М.: «Наука» 1976. «Просвещение», 1988. -----------------------
|
|