Строение и эволюция Вселенной

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САРАТОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЮРИДИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

 

 

ИНСТИТУТ ЮСТИЦИИ

Кафедра философии

Учебная дисциплина –Концепции современного естествознания

 

Реферат

Строение и эволюция Вселенной

 

Выполнила: студентка 123 группы

Лушникова Алина Игоревна

 

Научный руководитель: 

кандидат философских наук,

 доцент кафедры  философии

Кузнецова М. В.

 

 

 

 

 

Саратов-2014

План

1. Введение
2. Понятие Вселенной
3. Горячая Вселенная
4. Холодная Вселенная
5. Эволюция звезд
6. Структура Вселенной
7. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Мир, Земля, Космос, Вселенная… Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами звезд, с незапамятных времен волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле и зачарованного любующегося торжественной и чудной картиной, по выражению Лермонтова.

Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Цель работы: Рассмотреть особенности строения и эволюции Вселенной.

Понятие Вселенной. Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей.

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 иначе 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 вселенная или “Вселенная как целое”. Это особая отрасль астрономии так называемая космология. Космология – учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной, кстати, не следует смешивать понятия Вселенной в целом и “наблюдаемой” (видимой) Вселенной. Во втором случае речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований. 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 однородной и изотронной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же 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, так сказать образ реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного “слепка” Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотронной Вселенной.

     Горячая Вселенная. В первые моменты температура вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны и др. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет во вселенной преобладали электромагнитные и ядерные  взаимодействия.

     Спустя  указанный срок температура упала  до величины, допускающей рекомбинацию  электронов с протонами в нейтральные  атомы водорода. С этого момента  взаимодействие излучения с веществом  практически прекратилось, доминирующая  роль перешла к гравитации. Возникшее  на стадии горячей Вселенной  и постепенной остывающее в  результате ее расширения излучение  дошло до нас в виде реликтового  фона.

     Холодная Вселенная.  На последующей стадии “холодной” Вселенной на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости:  за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизация вещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало будущим галактикам и звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложных уравнений гирдро-газодинамики - теории нестационарного движения вещества и до сих пор удовлетворительно не разработан. Достаточно ясно, что в результате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогреву водородного топлива до температур, достаточных для начала термоядерных реакций водородного цикла.

     Эволюция звезд.  Первая стадия жизни звезды подобна солнечной - в ней доминируют реакции водородного цикла. Температура звезды определяется ее массой и степенью гравитационного сжатия, которому противостоит главным образом световое давление. Звезда образует относительно устойчивую колебательную систему, ее периодические слабые сжатия и расширения определяют звездные циклы. По мере выгорания водорода в центре звезды, ее гелиевое ядро остывает, а зона протекания реакции синтеза перемещается на периферию. Звезда “разбухает”, поглощая планеты ее системы, и остывает, превращаясь в красного гиганта.

     Дальнейшее  сжатие гелиевого ядра поднимает  его температуру до зажигания  реакций гелиевого цикла. Водородная  оболочка постепенно рассеивается, образуя звездную туманность, а  сильно сжатое ядро раскаляется  до высоких температур, соответствующих свечению бело-голубым светом (“белый карлик”). По мере выгорания топлива звезда угасает, превращаясь в устойчивого “черного карлика” - характерный итог эволюции большинства звезд с массой, порядка солнечной.

     Более массивные звезды на этапе превращения в белого карлика теряют водородную оболочку в результате мощного взрыва, сопровождающегося многократным увеличением светимости (“сверхновые звезды”). После выгорания их ядер сил давления в плазме оказывается недостаточным для компенсации гравитационных сил. В результате уплотнения вещества электроны “вдавливаются” в протоны с образованием нейтральных частиц. Возникает нейтронная звезда - весьма компактное (радиус в несколько километров) и массивное образование, вращающееся с фантастически высокой для космических объектов скоростью: около одного оборота в секунду. Вращающееся вместе со звездой его магнитное поле посылает в пространство узконаправленный луч электромагнитного (часто- рентгеновского) излучения, действуя подобно маяку. Источники мощного периодического излучения, открытые в радиоастрономии, получили название пульсаров.

     Звезды  с массой, превосходящей массу  Солнца более, чем в два раза, обладают столь сильным гравитационным  полем, что на стадии нейтронной  звезды их сжатие не останавливается. В результате дальнейшего неограниченного сжатия - гравитационного коллапса звезда уменьшается до таких размеров, что скорость, необходимая для ухода тела с ее поверхности на бесконечность превышает предельную (скорость света). При этом ни одно тело (даже свет) не может покинуть непрерывно сжимающуюся звезду, представляющую собой “черную дыру”, размерами всего в несколько километров.

     Астрономические  наблюдения затруднены, поскольку  такие объекты не излучают  свет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное  для компонент двойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что ее роль  играет черная дыра или не  излучающая нейтронная звезда.

     Помимо  перечисленных обнаружен ряд  астрофизических объектов, свойства  которых не укладываются в  приведенные схемы - квазары. Наблюдаемое  их излучение аналогично пульсар  ному, но очень сильно смещено  в красную область. Величина красного  смещения указывает на то, что  квазары находятся так далеко, что их наблюдаемая яркость  соответствует излучению, превосходящему  по интенсивности излучения галактического  скопления. В то же время наличие  быстрых изменений интенсивности  ставит вопрос о механизме  согласования излучения элементами  системы, размеры которой должны  составлять тысячи световых лет.

Структура вселенной. Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвёзд - звёзды, из протопланетного облака - планеты.

 Галактика - гигантская  система, состоящая из скоплений  звёзд и туманностей, образующих  в пространстве достаточно сложную  конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на 3 типа :

1) Эллиптические  галактики обладают пространственной  формой эллипсоида с разной  степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределения звёзд равномерно убывает от центра.

2) Спиральные  галактики представлены в форме  спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид  галактик, к которому относится  и наша Галактика - Млечный путь.

3) Неправильные  галактики не обладают выраженной  формой, в них отсутствует центральное  ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящем видимое излучение. Это радиогалактики. 

В строение «правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звёзды и массивные газовые облака.

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звёздном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звёздах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины температуры, с различной характеристикой движения.

Возраст звёзд меняется в достаточно большом диапазоне значений : от 15 млрд .лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звёздами и межзвёздной средой, включая проблему непрерывного образования звёзд из конденсирующейся диффузной материи.

Рождение звёзд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звёзд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

В недрах звёзд при температуре порядка 10 млн.град. и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии : электроны почти полностью или абсолютно все отдалены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействия друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звёзд, превращаются при участии углерода в гелий.

Огромная энергия, излучаемая звёздами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звёзд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счёт превращения водорода в более тяжёлые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на совершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые»).

Звёзды не существуют изолированно, а образуют систему. Простейшие звёздные системы - так называемые кратные системы состоят из двух, трёх, четырёх, пяти и больше звёзд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звёзды, выбрасывающие её в пространство в виде мощного потока газов.

Звёзды объединены также в ещё большие группы - звёздные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звёздные скопления насчитывают несколько сотен отдельных звёзд, шаровые скопления - многие сотни тысяч.

Ассоциации, или скопления звёзд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определённое кол-во времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения. 

Самая большая трудность возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо её не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации : идёт самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления всё более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок.

В рамках концепции креационизма, т.е. творение, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир.

Численные значения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной,  размеры атома, атомных ядер, планет, звёзд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь была невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции - появление человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца.