бесплатно рефераты
 

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

МОСКОВСКИЙ КОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ

ЮГО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Средняя общеобразовательная школа №506

с углубленным изучением экономики

Тема: «Расширяющаяся вселенная и красное смещение»

Реферат по астронимии ученика 11Б класса Ковчегина Игоря

Учитель: Бродер Дмитрий Леонидович

Москва, 2002

Введение 3

Происхождение Вселенной 4

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной 4

Современная теория происхождения Вселенной 6

Вселенная Хаббла 6

«Суперсила» 9

Красное смещение 12

Заключение 16

Список использованной литературы 20

Введение

Существует много глубоких философских проблем в основе нашего современного

понимания физики. Начиная с самых больших масштабов, с природы Большого

Взрыва, движения вселенной и происхождения космологической структуры. В

пределах космоса мы не знаем, почему работает общая теория относительности –

что такое гравитация и инерция? В нашем собственном масштабе мы заметили, что

вселенная содержит странные сложности, которые придают ей фрактальную

геометрию, которую можно найти в капающем кране, сокращениях сердца, горных

цепях, изменениях стоимости акций и папоротниках, но у нас нет никакой идеи,

почему это так. Потом и в самых маленьких масштабах квантовая механика

оказалась с точки зрения философии вне человеческого понимания –

действительно, некоторые выдающиеся теоретики предположили, что искать

интерпретацию будет ошибкой – математические процессы, которые дают

правильные ответы, хотя мы и не знаем почему, следует воспринимать как

данность, и нам не следует беспокоиться о реальности.

Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теория Большого

взрыва, – необходимость объяснить, откуда берётся колоссальное количество

энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно внимание учёных

привлекла видоизменённая теория Большого взрыва, которая предлагает ответ на

этот вопрос. Она носит название теории раздувания и была предложена в 1980 году

сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом. Основное

отличие теории раздувания от традиционной теории Большого взрыва заключается в

описании периода с 10-35 до 10-32 с. По теории Гута

примерно через 10-35 с. Вселенная переходит в состояние

«псевдовакуума», при котором её энергия исключительно велика. Из-за этого

происходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теории

Большого взрыва (оно называется раздуванием). Через 10-35 с. после

образования Вселенная не содержала ничего кроме чёрных мини-дыр и «обрывков»

пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, а

множество, причём некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый из

участков пены превратился в отдельную вселенную, и мы живем в одной их них.

Отсюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных для

нашего наблюдения.

Хотя в этой теории удаётся обойти ряд трудностей традиционной теории Большого

взрыва, она и сама не свободна от недостатков. Например, трудно объяснить,

почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. От этого

недостатка удалось освободиться в новом варианте теории раздувания,

появившемся в 1981 году, но в нём тоже есть свои трудности.

Как же представляли себе образование Вселенной наши далекие предки? Как

объясняет происхождение Вселенной современная наука? Рассмотрению этих и

других вопросов, связанных с возникновением Вселенной, посвящается данный

реферат.

Происхождение Вселенной

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

С чего все пошло? Как все космическое стало таким, каким оно предстает перед

человечеством? Какими были те исходные условия, которые положили начало

наблюдаемой Вселенной?

Ответ на эти вопросы менялся с развитием человеческой мысли. У древних

народов происхождение Вселенной наделялось мифологической формой, сущность

которой сводится к одному – некое божество создало весь окружающий Человека

мир. В соответствии с древнеиранской мифопоэтической космогонией Вселенная

является результатом деятельности двух равносильных и взаимосвязанных

творящих начал – бога Добра – Ахурамазды и бога Зла – Ахримана. Согласно

одному из ее текстов, прасуществом, разделение которого привело к образованию

частей видимой Вселенной, был изначально существующий Космос. Мифологическая

форма происхождения Вселенной присуща всем существующим религиям.

Многие выдающиеся мыслители далеких от нас исторических эпох пытались

объяснить происхождение, строение и существование Вселенной. Заслуживают

особого уважения их попытки при отсутствии современных технических средств

посредством только своего ума и простейших приспособлений осмыслить

сущность Вселенной. Если совершить небольшой экскурс в прошлое, то

обнаружится, что идея эволюционирующей Вселенной, взятой на вооружение

современной научной мыслью, выдвигалась еще древним мыслителем Анаксагором

(500-428 до н.э.). Заслуживает внимания и космология Аристотеля (384-332 до

н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока Ибн Сины (Авиценна) (980-1037),

пытавшегося логически опровергнуть божественное творение мира, и других,

дошедших до нашего времени имен. [1]

Человеческая мысль не стоит на месте. Вместе с изменением представления о

строении Вселенной, менялось и представление о ее происхождении, хотя в

условиях существующей сильной идеологической власти религии это было связано

с определенной опасностью. Может этим и объясняется тот факт, что

естествознание новоевропейского времени избегало обсуждения вопроса о

происхождении Вселенной и сосредоточилось на изучении устройства Ближнего

Космоса. Эта научная традиция надолго определила общее направление и саму

методику астрономического, а затем и астрофизического исследований. В

результате основы научной космогонии были заложены не естествоиспытателями, а

философами.

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически

воспроизвести "происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как

бы из некоторых семян" и дать единое механическое объяснение всей

совокупности известных ему астрономических, физических и биологических

явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной космогонии справедливее было бы начать не с Декарта,

а с Канта, нарисовавшего картину "механического происхождения всего

мироздания". Именно Канту принадлежит первая в научно-космогоническая

гипотеза о естественном механизме возникновения материального мира. В

безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением

Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных

млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров

и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое

соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира. Вселенная

перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных. Теперь

перед изумленным человеческим разумом предстала мировая гармония совершенно

иного рода – естественная гармония систем взаимодействующих и

эволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья одной

цепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенности

дальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что

послекантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и

вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как

звезды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа. Второй

особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных,

неопределенность доступной астрономической информации, невозможность опытного

обоснования космогонических гипотез в конечном счете обусловили превращение

научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от

остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии.

[2]

Современная теория происхождения Вселенной

Вселенная Хаббла

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Важнейшее научное открытие прошлого века состоит в том, что окружающий нас

физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной

задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а

не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты

определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем

разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный

беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит

глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в

ней.

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о

Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями

области Вселенной (Метагалактике) как части целого – космология.

Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных

наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре

кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских

предпосылок, философских оснований.

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы

природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части

Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть

экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете – на всю

Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и

времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской

теории тяготения – общей теории относительности Эйнштейном (1916). Из

уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна

пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии). [3]

Применив общую теорию относительности ко Вселенной в целом, Эйншейн

обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не

меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял

себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения

дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.

Пожалуй самым важным и удивительным явлением, открытым современной

астрономией, является расширение Вселенной (термином "Вселенная" следует

подразумевать Метагалактику, т.е. доступную для наблюдений часть Вселенной).

Что это означает? При наблюдениях это в первую очередь проявляется в том, что

расстояния между всеми галактиками, несвязанными друг с другом в единую

систему силой всемирного тяготения, постоянно увеличивается, галактики

"разбегаются". Вселенная расширяется! [10]

В начале 20-х годов советский математик А. А. Фридман впервые решил уравнения

общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая

условия стационарности. Их вывод сложен, так как опирается на общую теорию

относительности Эйнштейна. Но конечный результат прост и может быть

сформулирован в виде дифференциального уравнения

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение ,

в котором R – радиус рассматриваемой сферы, Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

– скорость ее расширения, r – полная массовая плотность (вещества плюс

излучения) Вселенной, G =(6,67259±0,00085)·10-11Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

– гравитационная постоянная. Для вещества r»R-3, а для

излучения r»R-4, поэтому на ранней стадии эволюции (R

®0) слагаемое с r в данной формуле важнее константы в правой части, и

последней можно пренебречь. [9] Фридман показал, что Вселенная, заполненная

тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные им уравнения

лежат в основе современной космологии.

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью "Связь между

расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей", в которой

пришел к выводу: "Далекие галактики уходят от нас со скоростью,

пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее

скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной

Хаббла). [3]

Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного

физического эффекта – красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в

спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по

сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в

спектрах галактик.

Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в

основе концепции расширяющейся Вселенной.

В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная

расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной

картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики

будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них (рис.4).

Само пространство как бы раздувается.

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то

расстояния между ними будут возрастать, причем 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 звездные системы

повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации (рис. 5).

«Суперсила»

За последнее десятилетие в фундаментальной физике сделан ряд фундаментальных

открытий, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные

экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь

субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще

больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления полученных

результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория

вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научпые направления совместно

приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в

конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных

“ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и

наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила –

нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-

время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее

такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал. [4]

Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая

различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет

части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике

вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления

природы в рамках единой описательной схемы.

Поиск суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и

других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад

Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм – тесно связавные-

явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об

успехе этого описания можно судить по тоиу коллосальному влиянию, которое

оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в

концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения,

связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с

гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие

необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного

объединения?

Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая

Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного

полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию

единой теории поля произошло только в конце 60-х годов прошлого столетия,

когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с

одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория

позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку;

наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света,

состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии

экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе,

расположенном в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены – и

единая теория поля получила блестящее подтверждение. [4]

К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более

амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями

еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Одновременно были получены

и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким

образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими

типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре

перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается

путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,

Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала

чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне

инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10-32 с, и эта

мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных

измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. [4] Именно в ту эпоху

Вселенная могла оказаться запертой в “космической ловушке”, что обеспечило

генерацию из ничего огромных количеств энергии.

Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из

которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает

Вселенную.

Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна

объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий

сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению.

Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются

утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей

окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие

Страницы: 1, 2


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.