Вселенная 2 - реферат

Санкт-Петербургский Государственный
Университет Сервиса и Экономики.

Реферат

По предмету «Концепция Современного Естествознания»

Тема: «Элементы эволюции Вселенной».

Выполнила:
Студент 1 курса
Гр. 0611.У
Зайкова Кристина
Сергеевна
Проверил:

Всеволожск
2007г.

Содержание:

Введение 3

Первые модели мира 4

Современная картина происхождения Вселенной 7

Рождение Вселенной 7

Рождение галактик 12

Модели будущего Вселенной 14

Заключение 17

Список использованной литературы 18

Введение

Что такое Вселенная, откуда она взялась, как устроена, что с ней будет в будущем? Такие вопросы будоражат умы людей на протяжении сотен лет. Пожалуй, с самого момента возникновения человека. Он всегда пытался в силу своего мировоззрения и последних достижений науки, получить представление о мире. В древнегреческой мифологии очень подробно и достаточно систематизировано рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Впрочем, мифология любого народа, достаточно развитого для того, чтобы создавать космологиче­ские мифы,может похвастаться не менее интересными идеями. И это не случайно. Огромный мир вокруг нас всегда волновал человека. Он с давних времен старался понять, как устроен этот мир, что такое в этом мире Солнце, звезды, планеты, как они возникли.Это - из разряда тех вопросов, которые принято называть «вечными», человек никогда не перестанет искать ответа на них.

После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену мифологии, ответ на эти вопросы стали ис­кать в основном в рамках философских концепций, причем почти каждый философ считал своим долгом затронуть их. С приходом Нового времени философия уступила свое пер­венство в создании космологических моделей Науке, которая добилась особенно больших успехов в XX веке, перейдя от различных догадок в этой области к достаточно обоснован­ным фактам, гипотезам и теориям.

Первые модели мира

Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились взгляды, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги.Солнце восходит утром, выходя из восточных ворот, и заходит через западные ворота, а ночью оно движется под Землей.

Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.

И лишь в греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в четвертом веке до нашей эры началось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины.

Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский (ок. 530 - 470 гг. до н. э.). Это ему принадлежат слова: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...» Тогда же Пифагор Самосский (ок. 580 - 500 гг. до н. э.) высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеет форму шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты. В центре мира в этой модели помещалась Земля, вокруг нее вращались сферы Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всех находилась сфера неподвижных звезд.

Первую теорию строения мира, объясняющую прямое и попятное движение планет, создал греческий философ Евдокс Книдский (ок. 408 - 355 гг. до н. э.). Он предложил, что у каждой планеты имеется не одна, а несколько сфер, скрепленных друг с другом. Одна из них совершает один оборот в сутки вокруг оси небесной сферы по направлению с востока на запад. Время обращения другой (в обратную сторону) предполагалось равным периоду обращения планеты. Тем самым объяснялось движение планеты вдоль эклиптики. При этом предполагалось, что ось второй сферы наклонена к оси первой под определенным углом. Комбинация с этими сферами еще двух позволяла объяснить попятное движение по отношению к эклиптике. Все особенности движения Солнца и Луны объяснялось с помощью трех сфер. Звезды Евдокс разместил на одной сфере, вмещающей в себя все остальные. Таким образом, все видимое движение небесных светил Евдокс свел к вращению 27 сфер.

Усовершенствованием системы мира Евдокса занялся ученик Платона Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Так как взгляды этого выдающегося философа - энциклопедиста безраздельно господствовали в физике и астрономии в течение почти двух тысяч лет, то остановлюсь на них поподробнее.

Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (ок. 490 - 430 гг. до н. э.), предположил существование четырех «стихий»: земли, воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела, встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образом стремятся двигаться к центру мира («вниз»), тогда как огонь и воздух движутся «вверх» к периферии и то тем быстрее, чем ближе они к своему «естественному» месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь. По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее движение вечно, не имеет ни конца ни начала. Это возможно как раз потому, что, кроме упомянутых четырех элементов, существует еще и пятая, неуничтожимая материя, которую Аристотель назвал эфиром. Из эфира будто бы и состоят все небесные тела, для которых вечное круговое движение - это естественное состояние. «Зона эфира» начинается около Луны и простирается вверх, тогда как ниже Луны находится мир четырех элементов.

При построении своей системы мира Аристотель использовал представления Евдокса о концентрических сферах, на которых расположены планеты и которые вращаются вокруг Земли. По Аристотелю, первопричиной этого движения является «первый двигатель» - особая вращающаяся сфера, расположенная за сферой «неподвижных звезд», которая и приводит в движение все остальное. По этой модели лишь одна сфера в каждой из планет вращается с востока на запад, остальные три - в противоположном направлении. Аристотель считал, что действие этих трех сфер должно компенсироваться дополнительными тремя внутренними сферами, принадлежащими той же планете. Именно в этом случае на каждую последующую (по направлению к Земле) планету действует лишь суточное вращение. Таким образом, в системе мира Аристотеля движение небесных тел описывалось с помощью 55 твердых хрустальных сферических оболочек.

Позже в этой системе мира было выделено восемь концентрических слоев (небес), которые передавали свое движение друг другу. В каждом таком слое насчитывалось семь сфер, движущих данную планету.

Во времена Аристотеля высказывались и другие взгляды на строение мира, в частности, что не Солнце обращается вокруг Земли, а Земля вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Против этого Аристотель выдвинул серьезный аргумент: если бы Земля двигалась в пространстве, то это движение приводило бы к регулярному видимому перемещению звезд на небе. Как мы знаем, этот эффект (годичное параллактическое смещение звезд) был открыт лишь в середине 19 века, через 2150 лет после Аристотеля...

Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.

Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется «...вращательно, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра». Он высказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.

Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (ок. 310 - 230 гг. до н. э.). Выдающийся древнегреческий ученый Архимед (ок. 287 - 212 гг. до н.э. ) в своем сочинении «Псаммит» («Исчисление песчинок»), обращаясь к Гелону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так:

«Ты знаешь, что по представлению некоторых астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих «Предложениях», написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир гораздо больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве. Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре. Центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности.

К великому сожалению, при изучении происхождения Солнечной системы, астрономы древности редко затрагивали более глобальные вопросы, например происхождения и эволюции Вселенной. Многие теории возникновения Мира оставались бездоказательны.

Это происходило из-за ограниченности мировоззрения, отсутствия точной оптической и измерительной аппаратуры.

Современная картина происхождения Вселенной

Технический прогресс не стоит на месте. Научно-техническая революция ХХ века значительно расширила горизонты человеческих знаний. Человек создал ракету, побывал в космосе, созданы сверхмощные оптические и радиотелескопы, компьютеры, позволяющие рассчитывать и модулировать глобальные процессы, происходящие в масштабах Солнечной системы и Вселенной. На сегодняшний день современное естествознание объясняет возникновение Вселен­ной с помощью теории Большого взрыва.

Рождение Вселенной

Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала про­цесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Все­ленная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший була­вочной головки. Если верить математическим расчетам, то в на­чале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние назы­вается сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотно­стью. Известные законы физики в сингулярности не работают.

Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и являет­ся начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и вре­мени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного кон­тинуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей тео­рии относительности применимы лишь до определенных пре­делов - масштаба порядка 10^-33 см. Дальше идет область, в ко­торой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, соглас­но которому вещество невозможно стянуть в одну точку. То­гда получается, что никакой сингулярности в прошлом не бы­ло и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все веще­ство наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности 10⁹⁴ г/см³ , оно заняло бы объем около 10^-33 см³ , что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоя­нии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расши­рению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений се­годняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состоя­ние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам при­вычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяю­щего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит со­вершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей части­цы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свой­ствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реаль­ные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных час­тиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип не­определенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут извест­ны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряжен­ность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных[1] колебаний около нулевого значения. Соот­ветствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и кор­пускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое вре­мя приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не ме­нее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоро­течную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разно­видность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимо­действия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь ред­кие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности цело­го моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть воз­бужденным и находиться в одном из многих состояний с силь­но различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энер­гиями невообразимо велико.

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было перво­толчком, «началом».

С началом стремительного расширения Вселенной возни­кает время и пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10-33 с после «начала». Он называется инфляци­онным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько по­рядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это со­стояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.

На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(10 ^ K . Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов h составляла около миллиарда эв (10 ^ Мэвчто соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10 ^ K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10 ^ до 10 ^ секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10 ^ с.), температура ее понизилась до 10 ^ K , а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10 ^ с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10 ^ K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми ”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эра или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 10 ^ K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию h всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения E r . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества E m во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (E r) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (E m). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть E r=E m). Кончается эра излучения и вместе с этим период “ большого взрыва”.

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

После “большого взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

Рождение галактик

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверх галактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы - гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа.

На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе.

Модели будущего Вселенной

Каково же будущее Вселенной? Многие выдающиеся ученые ХХ века неоднократно задавались этим вопросом.

В 1917г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной. Суть данной гипотезы была в следующем: предположим, что вещество, составляющее планеты, звез­ды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему миро­вому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех на­правлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называе­мой критической плотности. Если все эти требования соблю­дены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замк­нуто и представляет собой четырехмерную сферу. Объем та­кой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе возможно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в од­ном и том же направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная по Эйнштейну, содержит хотя и большое, но все-таки конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней фотометрический и гравита­ционный парадоксы просто неприменимы. В то же время при­зрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна - такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселен­ная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизмен­ной, как это считал Эйнштейн. Вселенная непременно должна расширяться, причем речь идет о расширении самого про­странства, то есть об увеличении всех расстояний мира. Все­ленная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пу­зырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерыв­но увеличиваются.

Идея Фридмана поначалу показалась Эйнштейну слишком смелой и необоснованной. Он даже заподозрил ошибку в вы­числениях. Но, ознакомившись с ними, он публично признал, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия:

· Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;

· Вселенная сжимается;

· во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселен­ной были получены в 1926 г., когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик (существование которых было доказано в 1923 г. тем же Хабблом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как следст­вие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний или дли­ны волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По по­следним измерениям, это увеличение скорости расширения со­ставляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселен­ной получил подтверждение и в космологии утвердилась мо­дель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения всего пространства замкнутой конечной Вселен­ной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстоя­ния между пылинками на поверхности раздувающего­ся мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каж­дую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

Дальнейшее развитие модель расширяющейся Вселенной получила в послевоенные годы и особенно в последние десяти­летия благодаря исследованиям известных отечественных кос­мологов Зельдовича и Новикова. Уточнены величины, харак­теризующие скорость расширения Вселенной, рассмотрены различные варианты моделей Вселенной в зависимости от средней плотности вещества в мировом пространстве, доста­точно подробно намечен ход эволюции Вселенной от момента начала ее расширения.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Мы уже упоми­нали, что расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. По какому из них идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энер­гии разлетающегося вещества. Это отношение можно свести к отношению плотности вещества во Вселенной к критической плотности вещества, которую мы уже упоминали.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик и расшире­ние Вселенной носит необратимый характер. Это выражается условием р/р_к < 1, (где р - плотность вещества во Вселен­ной, р_к - критическая плотность вещества). Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселен­ной ».

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, чему соответствует условие р/р_к > 1 , то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнет­ся сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно боль­шой плотностью), затем произойдет новый взрыв.

Для наблюдателя сигналом перехода от расширения к сжатию станет смена красного смещения линий химических элементов в спектрах удаленных галактик на фио­летовое смещение. Такой вариант модели назван «закрытой Вселенной ».

В случае, когда силы гравитации точно равны ки­нетическим силам, то есть когда р/ р_к = 1, расширение не пре­кратится, но его скорость со временем будет стремиться к ну­лю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным .

Теоретически возможна и пуль­сация Вселенной.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить со­временную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. На основании современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к кри­тическому значению, она либо немного больше, либо немно­го меньше. Но от этого «немного» зависит будущее Вселен­ной, правда, весьма отдаленное. Постоянная Хаббла поз­воляет оценить время, в течение которого продолжается про­цесс расширения Вселенной. Получается, что оно не мень­ше 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным вре­менем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет.

Заключение:

Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира ? Бесконечна ли Вселенная по объему ? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем ? А каково происхождение «скрытой» массы ? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной ?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты ? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.

Список использованной литературы:

1. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1996,

2. Грушевицкая Т. Г. Концепции современного естествознания. Высш. Школа, 1998,

3. Гнатюк В. И. Концепции современного естествознания. Самостоятельное изучение курса. КВИ ФПС РФ, 1999,

4. Энциклопедический словарь юного физика.М «Педагогика», 1984

5. .П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 г.

6. Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия. / Глав. ред. М. Д. Аксёнова. — М.: Аванта+, 1997. — 688 с.

7. И.С. Шкловский. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М.: Наука, 1997.

[1] Флуктуация - небольшое, нерегулярное хаотическое изменение какой-либо физической величины.