Модели вселенной концепция современного естествознания

Концепции современного естествознания (КСЕ)

С этой темы начинается изучение концепций как таковых. Существует несколько понятий космологии:

это наука об эволюции Вселенной;
современная космология это астрофизическая теория структуры и динамики изменения метагалактики, которая дает определенное понимание о свойствах всей Вселенной.

В этой концепции пересекаются другие научные концепции об окружающем нас мире. Концепция космология на собственном примере позволяет нам впервые проследить и увидеть структурное строение. Т.е. представления, которые мы имеем сейчас, они во многом основаны на существующих астрофизических моделях. Модели, т.к. космология это специфический, уникальный предмет для изучения. В связи с этим мы пользуемся и разрабатываем модели, которые почти адекватно отражают существо процессов происходящих вокруг нас. Помимо моделей существуют и концепции, но и те и другие являются вероятностными. Современная концепция космологии основывается на астрофизических наблюдениях, общей теории относительности, физики элементарных частиц (физики микропроцессов) и физики высоких плотностей энергии. Здесь можно еще отметить квантовую механику, квантовую хромодинамику. Особенностью космологии как науки является то:

что она более чем любая другая наука связана с философскими представлениями (концепциями);
в этой концепции пересекается множество других концепций, в том смысле, что она включает в себя различные концепции;
имеет большой исторический период развития, который начинался с мифологии, т.е. космология имеет теснейшие связи с мировоззренческими воззрениями.

Можно выделить две ветви развития космологии:

Мировоззренческая концепция.
Научная концепция, которая постоянно подпитывалась знаниями из различных областей науки.

На каком основании мы можем делать те или иные умозаключения, которые происходят в масштабах всей вселенной? Ответ на этот вопрос содержится в методологической установке, согласно которой на разных уровнях существования природы действуют одни и те же законы. Здесь уместно вспомнить схему организации структурных уровней существования материи. При переходе от одних масштабов организации материи к другим, если переходы достаточно велики (микро и мега уровень), могут происходить и происходят глубокие качественные изменения. Суть этих рассуждений достаточно проста. Она состоит в том, чтобы попытаться ответить на вопрос, есть ли связь между микро и макро уровнем, каковы законы перехода, что происходит при эволюции вселенной на микро и макро уровнях. Как шел процесс трансформации и был ли он вообще? Эти вопросы возникли сравнительно недавно.

Начало научной космологии связывают с Николаем Коперником. Он поместил солнце в центр Вселенной, в этом его принципиальная заслуга, и при этом низвел Землю до уровня рядовой планеты, а ведь в ранее существовавших концепциях Земля была помещена в центр мироздания. Согласно его представлениям природа звезд для него была неясной. Он поместил звезды в так называемую сферу, но поскольку он был служителем церкви это оказало влияние на его концепцию и он закончил свою концепцию тем, что за сферой неподвижных звезд, которую он наблюдал, находится так называемый эмпирей или жилище блаженных, что являлось, по его мнению, обителей сверхъестественных сил.

Джордано Бруно пошел дальше, он считал звезды далекими солнцами, которые согревают бесчисленные планеты других планетных систем. Согласно ему, Вселенная являлась бесконечной, кроме того, существовало бесконечное количество миров подобных Земле. Космология Д. Бруно это концепция бесконечной вечной Вселенной. После изобретением Галилеем телескопа, концепция Бруно подтвердилась.

Следующий шаг развития космологии был сделан благодаря концепции Кеплера, который выявил закономерности движения планет.

А Ньютон обнаружил, что все космические тела независимо от свойств и размеров тяготеют друг к другу. После того, как Ньютон доказал концепцию всемирного тяготения, ее называют классической и она сводится к следующим положениям:

Вселенная считается бесконечной в пространстве и времени.
Основным законам, который управляет движением и развитием небесных тел является закон всемирного тяготения.
Пространство никак не связано с находящимися в нем телами.
Количество звезд, планет и звездных систем во вселенной бесконечно велико.

Пространство ранее считали вместилищем материи, и она никак не связана. Это положение оказалось неверным, но тем не менее, эти формулировки классической концепции космологии на долгое время получили всемирное признание и понимание, т.к. альтернативы не было. Надо сказать, что именно на современном этапе наука подошла к систематическому изучению космологии, благодаря многим фундаментальным открытиям в физике. Наиболее проблемные вопросы касаются таких моментов:

определение возраста Вселенной
происхождение Вселенной
эволюция Вселенной.

Термин эволюция употребляется в более широком смысле и под ним понимают глубинные изменения и преобразования в масштабах всей Вселенной. Сейчас доказано, что наша Вселенная эволюционирует. Прежде всего, вопросы, связанные с эволюцией, касаются процесса изменения расстояния между космическими телами и образование новых структур во Вселенной. В настоящее время можно отметить следующие факты:

факт расширения вселенной;

это асимметрия между веществом и антивеществом, которая выражается в преобладании вещества в структуре нашей Вселенной;

однородность и изотропность светящейся материи;

существование реликтового излучения, оно доходит к нам с Начала (с момента когда образовалась Вселенная).

существование ячеистой структуры Вселенной.

С позиций современного космического эволюционизма, возникновение и развитие Вселенной следует рассматривать как результат, с одной стороны дифференциации, с другой — усложнения форм организации материи. Эти положения основаны на результатах работ нашего соотечественника Фридмана в 1922г. Он взял за основу теорию относительности и путем расчетов установил и показал возможность существования расширяющейся Вселенной. Хаббул при проведении анализа спектральных линий установил, что происходит «разбегание» галактик, это означает, что в настоящее время галактики разбегаются не только от наблюдателя, но и друг от друга, по сути дела его работы были оформлен в виде следующего закона: «Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга». Данный закон определенно важен для существования Вселенной, т.к. сценарий «разбегания» или сжатия галактик приведет к различным последствиям. По оценкам возможных гипотез оказывается, что «разбегание» галактик в какой-то момент может приостановиться. Если предположить это, то возможно, что со временем может начаться их сжатие, и такой сценарий может привести к коллапсу, т.е. если бесконечно большая масса будет стянута в малую точку, то произойдет взрыв (так вроде бы и образовалась наша Вселенная). Эту точку еще называют точкой сингулярности. Фактически точка сингулярности математическая абстракция, но здесь при переходе из этой точки будет глубокий революционный скачок.

расширяющейся вселенной
сжимающейся вселенной
пульсирующей вселенной.

Это означает, что в процессе эволюции Вселенной, процессы расширения и сжатия будут сменять друг друга, т.е. будут наблюдаться циклы. Вопрос сценариев до конца не решен по причине скрытой массы, т.к. она влияет не только на силы сжатия/отталкивания, но она может кардинальным способом изменять пространство в котором она находится. Здесь мы приходим к тому, что пространство и масса взаимосвязаны, и эта взаимосвязь достаточно весома. Скорости с которой удаляются галактики друг от друга исчисляются десятками тысяч километров в секунду. Анализ обратной ситуации того, что после расширения, Вселенная когда-то была сжата и что 15-20 миллиардов лет назад наша Вселенная была сконцентрирована в малом объеме 10 -33 сантиметра. Наша Вселенная является результатом большого взрыва, из сверх плотного вещества 10 93 грамм/см 3 .

Концепция большого взрыва в настоящее время получила широкое признание и считается стандартной моделью. И все-таки концепция большого взрыва испытывала определенные затруднения при объяснении ряда фактов. Она не давала ответа — чем определяется образование галактик при их возникновении из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества (если бы антивещества было больше, чем вещества, нашего мира бы не существовало)? Была разработана теория инфляции или теории раздувающейся Вселенной. Разработка теории принадлежит Бутту и Стейнхарду. В рамках этой модели проводились работы российских физиков в частности Линделя. Модель раздувающейся Вселенной не противоречит модели большого взрыва, она фактически совпадает с тем сценарием, который предложен в рамках большого взрыва, но совпадает она в 10 -30 степени после начала расширения. Инфляционная концепция проникает в более ранние этапы времени зарождения Вселенной, т.е. со времени вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях возникновения, Вселенная имела неустойчивое, вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Полагается, что эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, т.е. как бы из ничего. Если говорить о физическом вакууме, то в этом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но с другой стороны это не является безжизненной пустотой. Тем не менее, в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Исходя из этого, что вакуум наполнен этими виртуальными частицами, взаимодействующими между собой, вводят понятие энергетических уровней вакуума. В соответствии с этим, энергия имеющаяся в вакууме, расположена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням и происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Несмотря на то, что такое состояние вакуума является неустойчивым и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Именно эти процессы ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории расширение Вселенной в 10 50 раз, больше чем полагалось в концепции большого взрыва. Согласно этой теории идет гигантское расширение с образованием гигантской энергии и при этом происходит понижение температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной. Полагается, что температура нагрева достигала порядка 10 27 Кельвина. Когда говорят о характере высвобожденной энергии полагается, что она описывается теорией великого объединения, которую можно представить как некую суперсилу, которая объединяет (а точнее объединяла) в то время гравитационное сильное, ядерное слабое и электромагнитное взаимодействие. Полагается, что процесс расширения Вселенной продолжался примерно в 10 -35 до 10 -30 секунды это так называемая фаза инфляции. А с последующего времени эволюция Вселенной достаточно хорошо описывается теорией горячего большого взрыва. Та энергия, которая постепенно высвобождалась шла на энергию излучения, которое и есть реликтовое излучение. Когда говорят о ранних стадиях эволюции Вселенной вводят понятие многомерной пенистой структуры пространства и времени. До сих пор мы не говорили о времени, на самом деле полагается, что пространство и время образовывались одновременно.

Эволюция материи Вселенной .

Согласно современным космологическим моделям, процесс эволюции материи на уровне микромира и мегамира происходил поэтапно. Эти этапы в космологии принято называть эрами. Для каждой из эр характерна своя организация материи и вид взаимодействия. В пространстве и времени на ранней стадии образования была некая суперсила, затем по мере развития она стала разделяться.

Великого объединения. Охватывает промежуток времени приблизительно от 10 -43 до 10 -35 секунды и включает в себя превращение материи от возбужденного вакуума через его разрушение до образования сверхплотной материи. Именно на этом этапе действует суперсила.
Адронная эра. Охватывает промежуток от 10 -35 до 10 -6 секунды. Начало эры адронов знаменуется большим взрывом. Адронами называют частицы, которые обладают вещественной массой и им принадлежит роль сильного взаимодействия. После этого взрыва, единая суперсила распадается на гравитационное, слабое и т.д. Результатом такого разделения стало образование кварков и лептонов, а на их основе адронов. Из адронов образуются протоны и нейтроны, т.е. те элементы, которые являются основными слагаемыми вещества вселенной.
Лептонная эра. Промежуток от 10 -6 до 1 секунды.
Фотонная эра. От 1 секунды до 1 млн лет. Считается, что начало новой эры ознаменовалось разделением электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Температура Вселенной начала снижаться в эту эру в промежутке от 10 10 Кельвина до 10 3 Кельвина. Снижалась энергия нуклонов, а нейтроны стали захватываться протонами. Что привело к образованию ядер гелия, на долю которых приходилось до 25% всего вещества, а затем при объединении свободных протонов и электронов образовался атомарный водород, на долю которого приходилось до 75% всего вещества. Именно в эту эру во Вселенной образовался газ, состоящий из атомов водорода, гелия, и считалось, что в это время стало возможным образования очень небольшого количества бериллия и лития. По мере дальнейшего расширения Вселенной и ее охлаждения (газа) начали образовываться газовые облака, из которых постепенно стали образовываться протогалактики. В результате уплотнения этих протогалактик происходило притягивание к ним остального вещества. Вследствие этого сила тяготения возрастала. Под действием сил самогравитации происходило дальнейшее сжатие этих образований. Считается, что по мере эволюции этих образований, примерно через 1 млрд лет, начался процесс звездообразования.
Эра образования галактик и звезд. Откуда произошло образование более тяжелых элементов? Считается, что оно происходило в недрах звезд. Т.е. многие элементы являются продуктом взрывов этих звезд, которые сопровождаются грандиозными вспышками и являются результатами ядерных реакций. Здесь употребляют термин взрыв сверхновой звезды. В результате такого взрыва по галактике разбрасывается большое количество тяжелых элементов. При образовании нового поколения звезд, строительным материалом для них являются продукты взорвавшихся звезд. Таким образом, можно считать, что наша планета образовалась из звездного пепла.
Современная эпоха.

Источник

Модели вселенной концепция современного естествознания

Система Мира — это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.

Очень простая и наглядная система мира в древнем Вавилоне:

(А Вы знаете что-нибудь о представлениях, например, древних китайцев?)

Шли годы, и мы теперь можем следить за гениальными догадками (умозаключениями) гениальных людей.

Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде “Альмагест” предложил геоцентрическую систему Мира:

Однако трудно описать движение планет, приходится вводить много дополнительных предположений.

. И поплыл Колумб в Индию, а открыл Америку.
(Детский вопросик — Интересно, Колумб попал не туда из-за того, что неправильно ориентировался по звездам?)

Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге “Об обращении небесных сфер” гелиоцентрическую систему мира.

Огромный прорыв в описании Мира, но … звезды по прежнему «прибиты гвоздями» к небосводу.

Прошло еще почти 150 лет, пока не пришел еще один гений – Ньютон.

Вселенная Ньютона

Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде “Математические начала натуральной философии” (1687 г.) заложил основы классической физики:

В основе механики Ньютона лежат три аксиомы (три закона):

не действует внешняя сила

по инерции

(Кстати говоря, а что такое механика?)

Решил Ньютон отдохнуть после трудов праведных в саду, и … получилось, что в конце 17 века он установил закон тяготения:
между всеми телами на Земле действуют силы притяжения — гравитационные силы.
F гр = g * m гр * M гр / r 2
g — гравитационная постоянная.

(Детский вопросик — Интересно, а откуда Ньютон узнал о «своих», законах, он что, их сам придумал?)

Обратим внимание, что в уравнениях Ньютона появилось две разных массы: инертная масса m и и гравитационная масса m гр .
Различны ли эти массы?
Сейчас доказано, что m гр =m и с точностью до 10 -12 .

(Детский вопросик: Луна притягивается к Земле, почему до сих пор она не упала на Землю?
Детский вопросик: Почему камень падает на Землю, а не Земля на камень?).

Разобравшись с тем, что происходит на Земле, Ньютон попытался описать самую большую физическую систему — Вселенную .

Для этого Ньютон сделал гениальное предположение –
пусть законы, установленные на Земле, будут действовать и во всей Вселенной,
т.е. эти законы будут мировыми законами .

В конце 17 века считалось, что Вселенная — шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.

Между частицами — звездами действуют, как считал Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс

Но если Вселенная — бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.

Ньютон делает гениальный вывод:
Вселенная является бесконечной и стационарной (т.е. неизменной во времени) ,
но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.

Что же делать? Ньютон не успел больше ничего совершить, и Мир ждал появления следующего гения – Эйнштейна.

Вселенная Эйнштейна

Эйнштейн рассмотрел Вселенную, которая также была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу — силу отталкивания.

Теперь Вещество во Вселенной удерживается двумя силами — притяжения и отталкивания.

Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат:
Вселенная может быть стационарной, но если только она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.

Как же тело может быть конечным, но не иметь границ?
Возьмите сферу — площадь ее конечна, но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. Если на Земле вы, двигаясь по меридиану из любой точки, вернетесь в ту же точку, то и во Вселенной Эйнштейна, двигаясь “по прямой”, вы окажетесь в исходной точке.
Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?

Что знали ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.

Но если это так, то почему ночью темно, а не светло как днем?

Действительно, рассмотрим, сколько света поступает от звезд.
Разделим Вселенную на отдельные слои.

Количество звезд N в слое : N

4 * p * R 2
Но светимость: Q

1 / R 2
Два слоя на расстоянии R 1 и R 2 от Земли.
В первом слое: N 1 и общая светимость Q 1

N 1 / R 1 2 .
Светимость второго слоя Q 2

N 2 / R 2 2 .
Ясно, что Q 1 = Q 2 .

Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем — вот о чем говорит парадокс Ольберса.

Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?

Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна.
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.

Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.

И здесь на помощь приходит еще один гений — американский астроном Хаббл

В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” — наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными.
И он получил следующую картину:

Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением (Э. Хаббл, 1929)
v=HR

Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк.

Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.

Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.

Ура (ликуют все жители Земли), значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной?

Ликование было недолгим, потому что опять вмешивается наш разум и приводит простую аналогию с воздушным шариком.

Будем надувать воздушный шарик с нарисованными на нем точками 1, 2, 3.

Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров.

Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?

На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман

В начале 20-х годов он предложил модель нестационарной Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.

Конечно, мы получаем также свидетельство, что Вселенная была в точке (в математическом смысле, а вспомните, что есть точка в математике?), но реально никакой точки не было.

Но почему галактики разбегаются. Предположим, что в начальный момент времени уже были галактики и занимали какое-то пространство.

Предположим также, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. их скорость v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься.
Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение «тормозит» их движение).
Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной — примерно 15 млрд лет тому назад.
Итак, был начальный момент, когда произошел «Большой Взрыв»

(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)

Иными словами, после «взрыва» частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной — чем больше плотность, тем больше силы F тяг . Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности r Вселенной. Открытая модель соответствует r r кр . Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет r кр = 5х10 -30 г/см 3 . Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.
Изменение размера R Вселенной с течением времени t для Вселенной с разной плотностью.

Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:
С течением времени изменяются расстояния между галактиками.

В прошлом был момент t=0, когда радиус шара был равен нулю, а значит плотность стремится к бесконечности (момент сингулярности).

При t=0 произошел «Большой взрыв», в результате которого образовалась Вселенная.

Неужели все так просто и ясно? Что же еще ученым надо, и что они делали после этого еще 70 лет?
Однако в последнее время появились новые астрономические данные, проливающие свет на современное состояние Вселенной и на ее будущее. Подробнее см. тему 5.

Спасибо, что осилили сложную тему.
Мне кажется, что теперь вы в состоянии создать такую фигуру:

Источник

Читайте также: Что называют вселенной 11 класс тест