Происхождение Вселенной

	Загрузить архив:
	Файл: ref-14386.zip (16kb [zip], Скачиваний: 95) скачать

Происхождение вселенной

Понятие "Вселенная" означает Космос, доступный человеческому наблюдению. Вселенную изучает наука космология. Ее цельвыявление и изучение законов, функционирующих во Вселенной. Вселенная  упорядоченное целое, значит, космология открывает и изучает упорядоченность Вселенной.

Несколько предпосылок этого изучения:

1.считается, что формулируемые физикой законы Функциониро
вания мира действуют во всей Вселенной;

2. считается, что наблюдения астрономов также распространяются
на всю Вселенную;

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

Выводы космологии называются моделями происхождения и разви­тия Вселенной. Первые научно-обоснованные модели Вселенной появи­лись после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Они обосновывали бесконечность мира во времени и пространстве. Однако космология столк­нулась тогда с парадоксами.

Гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гра­витации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неиз­бежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.

Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космо­са. Туманности он называл "мировыми островами". Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются ко­нечными. Тогда парадокс разрешается.

Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. 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 после создания модели расширяющейся Вселенной.

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

Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительно­сти, Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не бы­ли открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно напол­нена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения, по­этому Эйнштейн произвольно ввел в свои уравнения малую величину -космическое отталкивание.

В основе модели расширяющейся Вселенной лежат следующие предположения:

1.свойства Вселенной одинаковы во всех точках (однородность);

2. свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях (изотропность);

3. кривизна пространства связана, с плотностью массы (энергии).

Советский физик А. А. Фридман в 1922 г. заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства. К такому же выводу пришел голландский астроном В. де Ситтер. Он факти­чески предсказал расширение Вселенной. Однако до открытия американ­цем Э. Хабблом "красного смещения" эти гипотезы воспринимались как казус.

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

Хаббл вывел формулу, из которой выводилось, что все вещество во Вселенной было сконцентрировано в одной точке, откуда оно разлетелось в момент взрыва, который и породил Вселенную. Этот Большой Взрыв, со­гласно выведенным из формулы Хаббла данным, произошел млрд. лет на­зад. Учитывая приближенность этой оценки, рождение Вселенной относят ко времени 12-18 млрд. лет назад.

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

Есть гипотеза, что Вселенная образовалась из вакуума. Вакуум - не совсем "ничего". Это своеобразная форма материи, которая при опреде­ленных условиях может рождать частицы. Вакуум может прийти в возбуж­денное состояние, вследствие чего образуется поле, а из поля может обра­зоваться вещество. В вакууме частицы отсутствуют, но может происходить случайная флуктуация.

Флуктуация - появление виртуальных частиц, которые непрерыв-но рождаются и сразу же уничтожаются, но участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуации вакуум приобретает осо­бые свойства.

Расширение Вселенной проявляется на уровне галактик. Центра, от которого галактики "разбегаются", не существует.

Идею Большого Взрыва выдвинул ученик Фридмана Гамов. Он рас­сматривал распространение химических элементов во Вселенной и пред­положил, что элементы тяжелее гелия родились не в звездах, а в момент возникновения Вселенной. По законам термодинамики при высоких плот­ностях и температурах разогретое вещество и излучение находятся в рав­новесии. Излучение продолжает движение вместе с веществом в расши­ряющейся Вселенной и сохраняется до нашего времени. При этом его температура понизилась.

Теория горячей Вселенной объяснила соотношения водорода и ге­лия в современной Вселенной исходя из ядерных реакций в горячей ранней Вселенной. Большинство звезд состоит из водорода и гелия. Углерод обра­зуется из трех ядер гелия в центре звезды.

Начальную стадию образования Вселенной делят на эры:

1.эра адронов. Велика энергия гамма-квантов. Существуют только
частицы больших масс, так как очень высока температура. Существуют адроны и лептоны. Первые участвуют в сильных и быстрых взаимодействиях, вторые - в слабых и медленных.

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

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

4.эра излучения. Нейтроны захватываются протонами и происходит
образование ядер гелия. Температура еще понизилась, плотность вещества
уменьшилась и создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества. Закончилась начальная стадия образования Вселенной.

5.эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий.
В конце эры главную роль начинает играть вещество.

6.звездная эра. Начинается процесс образования протозвезд и про-
тогалактик.

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

Существует еще модель раздувающейся Вселенной. Согласно ей, в ранний период существования Вселенной было сильное и очень кратко­временное его раздувание. Во время раздувания все локальные скручива­ния сильно расширились. Эта модель приводит к выводу о том, что Все­ленная, которую мы наблюдаем, только часть Вселенной. Эта модель объ­ясняет и реликтовое излучение, и красное смещение, и первоначальное со­держание легких элементов. Она исходит из того, что законы физики не менялись, и состояние первоначальной Вселенной описывается квантовой гравитацией.

В современной космологии модели горячей Вселенной и раздуваю­щейся Вселенной дополняют друг друга.

Эволюция и строение звезд

Теория Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной повлияла на модели образования небесных тел. В. Амбарцумян выдвинул гипотезу о возникновении галактик, звезд и планет из сверхплотного до-звездного вещества, состоявшего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперо­нов.

Все небесные тела либо испускают энергию (звезда), либо нет (пла­неты, кометы, метеориты, космическая пыль). Звезды производят химиче­ские элементы, дают свет и (в случае нашего Солнца) - жизнь. Звезды по сложным орбитам движутся вокруг центра Галактики. Самые крупные звезды называются красными гигантами и сверхгигантами, Когда звезда исстрачивает свое водородное горючее, она сжимается до бесконечной плотности, притом масса остается прежней. Тогда звезда превращается в белого карлика.

Откуда звезда берет свою энергию? Английский ученый Эддингтон объяснил энергию звезд термоядерными реакциями синтеза гелия из водо­рода. Масса ядра гелия превышает массу ядра водорода почти в 4 раза, и это является эквивалентом огромной энергии. При огромной температуре, которая существует в центре звезды, где происходит этот процесс, атомы теряют свои оболочки. С точки зрения квантовой механики существует ве­роятность преодоления барьера, окружающего ядро протона, протоны сталкиваются друг с другом, протон превращается в нейтрон, рождается тяжелый водород и начинается термоядерная реакция, которая и является источником энергии звезд.

Звезды - шары из газа в состоянии плазмы, находящиеся в лучистом равновесии. Эддингтон вычислил, что в центре звезды температура 15 млн. градусов.

Термоядерные реакции идут в центре шара радиусом 250 тысяч км. Эту область окружает зона лучистого переноса энергии, в которой термо­ядерные реакции не происходят. Далее следует зона конвекции, в которой энергия переносится на поверхность. Конвекционная зона обеспечивает нагревание солнечной короны и хромосферы. Солнечную корону образует газ, который непрерывно истекает в межпланетное пространство. Здесь ду­ет сильный солнечный ветер. На расстоянии земной орбиты скорость сол­нечного ветра примерно 400 км/сек. За 1 млрд. лет Солнце теряет 1/100 своей массы.

В 1900 г. американец Э. Пикеринг ввел спектральные классы, обо­значив их буквами латинского алфавита. Каждый класс потом разбили на группы от 0 до 9. По спектру наше Солнце в классе О2. По светимости звезды разделены на 7 классов, их обозначают римскими цифрами. Класс светимости пишут после спектрального класса. Наше Солнце обозначается как звезда класса С2У.

Чем меньше масса звезды, тем меньше ее поверхностная температу­ра, следовательно, ее спектральный класс более поздний.

Звезды эволюционируют так: из облака газа и пыли в результате возникновения гравитационной неустойчивости и последующего за ним сжатия возникает протозвезда. Гравитационная энергия способствует разо­греву внутренних слоев, происходят вспышки поверхности. Наконец, достигается температура, необходимая для начала термоядерной реакции. То­гда протозвезда становится звездой. Этот путь наша Солнце проделало примерно за 2 млн. лет.

Когда выгорает водород, повышается давление в оболочке, расши­ряются верхние слои звезды. Развивается протяженная зона конвекции, и звезда становится красным гигантом. Вблизи ядра 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 же судьба ждет и наше Солнце, но через миллиарды лет.

Существуют переменные звезды - их блеск меняется либо периоди­чески, либо беспорядочно. Обнаружено более 14 тысяч переменных звезд.

В нашей Галактике происходит в год примерно 100 вспышек новых звезд. Сейчас ясно, что новые звезды - двойные системы. Притом вспыхи­вает звезда с меньшей массой. Вспышка говорит о гибели звезды. Наибо­лее мощные вспышки называют сверхновыми звездами. Крабовидная ту­манность - результат вспышки сверхновой звезды, ее в 1054 г. наблюдали китайские астрономы. В нашей Галактике за всю историю наблюдений вспыхивало только три сверхновых звезды. Это было в 1054, 1572 и 1604 годах. Кроме того, наблюдаются туманности, которые являются остатками вспышек. В нашей Галактике их около 10.

При вспышках сверхновых звезд как конечная стадия эволюции массивных звезд могут образоваться нейтронные звезды. Если при вспыш­ке сверхновой сжатие ядра неостановимо, начинается гравитационный коллапс. Тогда звезда превращается в "черную дыру".

Эволюция Галактики

Галактика - гигантское скопление звезд и звездных систем. Каждая галактика имеет свое ядро (центр) и различные формы.

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 сде­лал вывод о том, что галактики в Космосе распределены почти равномерно по всем направлениям (изотропность).

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

Галактическое ядро является источником энергии. Наиболее энерге­тически мощны активные спиральные галактики с развитыми ядрами. Ак­тивность ядра галактики связана со взрывом. Многие исследователи счи­тают, что в ядрах гигантских эллиптических галактик должны быть гигант­ские черные дыры, которые появились там в ходе эволюции.

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

Старое население Галактики концентрируется ближе к центру, обра­зуя утолщение, а молодое население концентрируется в тонкий диск. Со­ветский ученый Б. В. Кукаркин выделил в Галактике плоскую, промежу­точную и сферическую подсистему. Они различаются по степени сосредо­точенности звезд. Все население вращается вокруг центра Галактики. Наше Солнце движется со скоростью 240 км/час. Полный оборот вокруг центра Галактики Солнечная система совершает за 230 млн. лет - это галактиче­ский год.

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

Солнечная система расположена почти на краю Галактики, что го­ворит об ее относительной молодости. Возраст Солнца - около 5 млрд. лет.

Эволюция Солнечной системы

Наука пока не знает других планетных систем, 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, имеют незначительные наклоны плоскости орбит. Почти у всех планет есть спутники.

Начиная с XVII в., ученые предлагают различные научные гипотезы происхождения Солнечной системы. Так, И. Кант предполагал, что Сол­нечная система образовалась из "хаоса" - космического облака. Поскольку существуют силы притяжения и отталкивания, в хаосе зародились круго­вые движения. Планеты образовались из сгущений, возникших в туманно­сти, и, благодаря центробежной 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 первоначально Солнце было звездой таких огромных размеров, что его размеры превышали радиус орбиты Юпитера. Постепенно и медленно вращаясь, это Солнце охлаждалось и уменьшалось в размерах. При этом от Солнца отделялись газовые кольца. Из этих колец, с точки зрения Лапласа, образовались планеты. Сами планеты тоже образовывали газовые кольца, из которых получились спутники.

Теория Канта-Лапласа, которая называется небулярной гипотезой, господствовала в науке до конца XIX в. Но эта теория не могла объяснить, почему у внешних планет-гигантов большие орбиты, почему вращение Солнца медленное и, главное, почему момент количества Солнца меньше момента количества планет почти в 29 раз, если Солнечная система изоли­рована? Значит, была внешняя сила, которая вмешалась в развитие Сол­нечной системы? Ответ на эти вопросы вызвал к жизни катастрофические теории возникновения Солнечной системы. Согласно одной из них, непо­далеку от Солнца прошла другая звезда, это вызвало возникновение газо­вых струй, из которых и возникли планеты. Орбиты планет были сначала сильно вытянуты, но, из-за огромного сопротивления пылевой среды меж­ду двумя звездами, постепенно стали круговыми. Из этой гипотезы выте­кает, что образование планетной системы - явление уникальное, ибо близ­кое прохождение звезд бывает крайне редко.

Советский ученый В. Г. Фесенков дал объяснение происхождения планет, исходя из процессов, происходящих внутри Солнца. Он считал, что планеты образовывались во время перехода от одного типа ядерных реак­ций внутри Солнца к другому. Этот переход определялся прежде всего температурными условиями.

Около 5 млрд. лет назад наше Солнце стало протозвездой. В резуль­тате действия центробежных сил в экваториальной части Солнца образо­вался газопылевой 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 между собой. Внут­ренняя часть кольца нагревалась Солнцем, это вызывало испарение, сол­нечный ветер гнал легкие элементы в более дальние области кольца, где они охлаждались. Планеты-гиганты образовывались 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. Есть гипотеза, что они - ос­тывшие звезды, притом они остыли раньше, чем Солнце стало звездой.

Процесс образования каждой планеты имеет свои особенности.

Наша Земля родилась около 5 млрд. лет назад на расстоянии 150 млн. км от Солнца. Сперва на ней не было атмосферы. Атмосфера рожда­лась в процессе вулканической деятельности. Одновременно возникали океаны - места, в которых конденсировались водяные пары. Первичная ат­мосфера была гораздо плотнее современной и состояла в основном из уг­лекислого газа. Примерно 2 млрд. лет назад произошло резкое изменение состава атмосферы, которое было связано с возникновением жизни: первые растения поглотили большую часть углекислого газа и дали в атмосферу кислород. Вот уже 200 млн. лет, как темная атмосфера практически не из­менилась.

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

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

Все тела Солнечной системы построены из небольшого числа эле­ментов и имеют единое происхождение. Древняя Земля была радиоактив­на. Это очень важно, потому что радиоактивность 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 за счет радиоактивности, поддерживало тепловой баланс Земли. Со временем радиоактивность уменьшилась.

Вся история Земли делится на две части: более древняя охватывает интервал времени от 570 до 3800 млн. лет назад и называется криптозоем. Более молодая - 570 млн. лет - называется фанерозоем.

Этапы развития Земли с точки зрения химико-биогенного осадкооб­разования:

1.Первичный океан и первичная атмосфера. Живое существует в
очень ограниченных масштабах. Океан - весьма кислый раствор. Атмосфе­
ра состояла в основном из углекислоты. Образовывались первичные оса­
дочные породы. Поверхность Земли состояла из неглубокого океана, из ко­
торого выступали в виде островов вулканы. Климат был влажный, везде
одинаковый.

2.Первые организмы. Появляется суша: рождались горные цепи,
выравнивались участки между ними. В океан с поверхности сносилось
много элементов, в т.ч. карбонатов. Это способствовало исчезновению
сильнойкислотности,  возникновениюкарбонатныхсолей.   Атмосфера
очищалась от аммиака и метена, все большую роль начинает играть азот.
Появились климатические зоны: сухого, холодного, влажного климата.
Появились глинистые минералы, которые способствовали образованию
кристаллических сланцев.

3.Земная кора растет, откладываются осадочные породы. Возникли
континенты. Появился фотосинтез. Кислород стал быстро менять состав
атмосферы, океан также обогащается кислородом. Накапливались огром­ные толщи пород, содержащие железо в различных формах.

4.Появились две платформы - Гондвана и Лавразия. Развиваются
все известные сейчас формы осадочных пород внутри континентов. Жизнь
вышла из воды на сушу, меняет мир вокруг себя.