Раздел 4. Астрономические концепции Тема №11. Концепция развития и эволюция Вселенной

План:

11.1 Развитие знаний о Вселенной.

11.2 Открытие нестационарности Вселенной А.А. Фридманом.

11.3 Закон разбегания галактик.

11.4 Возникновение Вселенной. Теория «Большого взрыва».

11.5 Структура Вселенной.

Первобытные народы знали, когда происходили солнцестояния или равноденствия, так как с ними были связаны разливы рек и наступления тех или иных сезонов. Например, у скотоводов был весенний праздник. Он определялся началом весны, т.е. прохождением Солнца через точку весеннего равноденствия и полнолунные числа календаря. Его надо было вычислять.

Таким образом, астрономические наблюдения, связанные с необходимостью ориентироваться во времени и пространстве, возникли на заре человеческой культуры. Уже тогда, задолго до появления письменности и государств, были сделаны многие важные открытия, связанные с расположением и видимым движением светил по небу. Так возникла астрономия – древнейшая из наук.

В конце каменного века (VI-III тысячелетия до н.э.) в благоприятных климатических условиях вблизи великих рек: Нила, Тигра и Евфрата, Инда, позднее – Ганга, Хуанхэ, ещё позднее – Янцзы – появились земледельческие племена. В тех местах и зародилась древние цивилизации. Наблюдение за небом стало здесь важнейшим делом для жрецов. Проходили тысячелетия медленного накопления астрономических знаний. По уровню развития астрономии можно довольно верно судить об общем уровне цивилизации. Примечательно, однако, что первые цивилизованные народы относили свои астрономические знания к наиболее отдаленному, доисторическому, периоду своего существования.

Таким образом, задолго до того как человек научился ориентироваться на Земле и создал географию, он уже ориентировался во Вселенной, создав её первые модели. Овладение пространством началось с космоса и лишь впоследствии распространилось на Землю.

По всему миру разбросаны древнейшие научные памятники – древние обсерватории. Самым величественным из этих памятников является Стоунхендж, возведенный на Солсберийской равнине в Южной Англии. По справедливости это гигантское сооружение может быть названо одним из первых памятников человеческой мысли. Стоунхендж был построен между 1900 – 1600 гг. до н.э., т.е. примерно на тысячу лет позже египетских пирамид. Стоунхендж был гигантской обсерваторией, построенной для того, чтобы следить за движением Солнца и Луны. Кроме того, он использовался и в качестве некоей «вычислительной машины», позволяющей следить за приближением Луны к эклиптике и предсказывать солнечные и лунные затмения.

В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной как к замкнутой системе и при этом сделан вывод о деградации Вселенной - её тепловой смерти – Вселенная должна прийти к её самому простому состоянию, т.е. термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу,- состоянию без какой-либо упорядоченности. Однако на Земле мы наблюдаем прямо противоположные процессы – биологическое развитие от простейших организмов к сложным, развитие человеческого общества. Как объяснить процессы развития?

В последние десятилетия утверждается мнение: материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных и упорядоченных систем разного уровня. В соответствии с этим представлением во Вселенной происходит эволюция – движение в направлении образования из исходного хаоса сложных структурированных подсистем.

Принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917г. А.Эйнштейном первой, основанной на стационарном решении уравнений общей теории относительности (ОТО). Однако, как показали астрофизические наблюдения, предположение о стационарности Вселенной оказалась неверным. Важный шаг в решение космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман. В результате исследования уравнений ОТО он пришёл к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна либо расширяться, либо сужаться.

В 1927г. Американский астроном Э. Хаббл измерил расстояние до ближайших галактик (в то время они назывались туманностями) и тем открыл мир галактик. Он же подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию до нее, т.е. V=Hr, где Н – постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3.3 светового года, световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год). По приблизительным оценкам возраст Вселенной около 15 млрд. лет. Это означает, что 15 млрд. лет назад она была сосредоточена в очень маленькой области. В этот момент Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – границы познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Радиус космологического горизонта сегодня равен примерно 10²⁶ м.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной. Вселенная не всегда расширяется, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из этой гипотезы следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу.

В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей галактики были обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечное сечение их составляет несколько световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен млрд. звёзд.

К сожалению, квазары очень удалены от нас, и мы наблюдаем их только в прошлом. Мы все объекты Вселенной – звёзды, галактики, скопления галактик наблюдаем в прошлом. Причём разные объекты – в разном прошлом. Например, Полярную звезду – такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.

Возникает вопрос: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик, т.е. теми зародышами, вокруг которые впоследствии формировались звёзды. При попытке ответить на этот вопрос родилась гипотеза о чёрных дырах. Сущность её заключается в следующем. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объёме, критическом для неё, то под действием сил собственного тяготения, такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа – гравитационный коллапс. Наступает момент, когда сила тяготения на её поверхности становится столь велика, что для её преодоления надо развить скорость, больше скорости света. Такие скорости недостижимы и из замкнутого пространства чёрной дыры не могут вырываться ни лучи света, ни частицы материи. Чёрная дыра может только поглощать излучение, лучи, проходящие на отдалённом расстоянии от чёрной дыры, искривляются. Сегодня во Вселенной наблюдается несколько объектов, похожих на черные дыры.

Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и самоорганизации Вселенной ещё окончательно не решён. Кроме того, одна из важнейших проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было вещество чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений при столь высокой плотности современные физические теории, к сожалению, не применимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для микромира. Теорию, которая объединила бы все эти явления, ещё предстоит создать.

Структура Вселенной. В ясную погоду и безлунную ночь невооружённым глазом можно наблюдать на небосводе до 3000 звёзд. Но это лишь небольшая часть тех звёзд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная. Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, называется Метагалактикой. Метагалактика находится в пределах космического горизонта.

Структура Вселенной - предмет изучения космологии.

Главные составляющие Вселенной – галактики. Галактики представляют собой громадные звёздные системы, содержащие десятки, сотни млрд. звёзд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу галактику, наблюдаемую в форме Млечного пути. Кроме звёзд и планет галактика содержит разреженный газ и космическую пыль.

Млечный путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшихся от одной стороны горизонта до другой, и состоит из множества звёзд. По форме он напоминает сплюснутый шар, заполненный 180 млрд. звёзд. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звёздных ветвей. Наша Галактика очень велика: от одного её края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть её звёзд расположена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце. Наша галактика имеет спутники – две небольшие галактики, которые называются Большое и Малое Магеллановы облака.

Основное население Галактики – звёзды. Мир звёзд разнообразен. И хотя все звёзды – раскалённые шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звёзды – гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объём одной из звёзд в созвездии Цефея больше объёма Солнца в 14 млрд. рад.

Кроме звёзд – гигантов, существуют ещё звёзды – карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли, или даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью.

Ещё большей плотность обладают нейтронные звёзды. Диаметр такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц – нейтронов, составляет всего 20-30км., а плотность 100 млн. т./куб. см. Нейтронные звёзды быстро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрирует радиотелескоп как импульс радиоизлучения. Поэтому нейтронные звёзды называют пульсарами. Ряд пульсаров излучает также в оптическом, рентгеновской и гамма – диапазонах.

Звёзды обладают различными поверхностными температурами от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Сравнительно «холодные» звёзды – с температурой 3-4 тысяч градусов - красного цвета. Солнце с температурой до 6 тысяч градусов – жёлтого цвета. Самые горячие звёзды – с температурой до 12 тысяч градусов – белые и голубые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звёзд. Такие звёзды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объёме, раздуваются, сбрасывают свою годовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии – в млрд. раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность.

На расстоянии 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика – туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный путь, но значительно превосходит его по размерам. Туманность Андромеды имеет спутники – две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звёзд.

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые галактики и галактики неправильной формы. Почти четверть всех изучаемых галактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звёзд в них убывает в направлении от центра. Самые яркие звёзды в них – красные гиганты. К спиральным галактикам относится наша галактика, туманность Андромеды и др. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер.

Наша галактика, туманность Андромеды и др. галактики (всего 16) образуют местную систему галактик. Её диаметр более 2 млн. световых лет.

Контрольные вопросы:

1. Что такое Вселенная?

2. Где заключена основная масса вещества во Вселенной?

3. Какие типы звезд вы знаете?

4. Как возникла Вселенная?

5. Каков ее возраст?

Рекомендуемая литература:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Юнити, 2010. ISBN: 5-238-00564-4.

2. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов Россия Москва, Высшая школа, 2004 – 335 с. ISBN: 5-06-004505-6.

Интернет ресурсы:

1. http://www.nebulacast.com/ - Живая Вселенная – блог о Вселенной.

2. http://universe2003.narod.ru/ - сайт о Вселенной.

3. http://vsln.ru/ - сайт о Вселенной.

4. http://www.milkywaygalaxy.ru/ - сайт новостей о галактике Млечный путь.