7717

Модели происхождения Вселенной

Доклад

Астрономия и авиация

Модели происхождения Вселенной. 1. Ученик А.А. Фридмана Георг Гамов (эмигрировал в 1934г. из СССР в США) в 1948 г. разработал модель горячей Вселенной под названием Космология Большого взрыва» Радиус Вселенной в первоначальном состоянии был р...

Русский

2013-01-28

77.5 KB

12 чел.

Модели происхождения Вселенной.

1. Ученик А.А. Фридмана Георг Гамов (эмигрировал в 1934г. из СССР в США) в 1948 г. разработал модель горячей Вселенной под названием «Космология Большого взрыва». Радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен 10-12 см (близок к радиусу электрона), а плотность 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. В результате большого взрыва Вселенная перешла из этого состояния к расширению 13-15 млрд. лет назад.

Эволюцию Вселенной делят на эры:

Эра адронов – тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия, время существования эры 0,0001 с., температура 1012 градусов по К0, плотность 1014 г/см3.

Эра лептонов – легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие. Эра образовалась в результате аннигиляции адронов и античастиц. Время существования эры 10 с., температура 1010 К0, плотность 104 г/см3.

Фотонная эра. Энергия во Вселенной заключена в основном в фотонах. Продолжительность 1 млн. лет. В конце эры снижается температура с 1010 до  3000 К0, плотность с 104 г/см3 до 10-21 г/см3.

Звездная эра. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик, так как излучение отделилось от вещества. Это излучение фотонов дошло до нас в виде реликтового фона, предсказанное Гамовым и обнаруженное в 1965 г., что подтверждает гипотезу большого взрыва и что Вселенная не имеет центра, так как реликтовое излучение приходит на Землю со всех сторон.  

Происхождение скоплений галактик не удавалось объяснить при помощи предыдущих моделей, а только происхождение отдельных звезд и планетных систем. Это нужно объяснять не процессами, случившимися после взрыва, а процессами изначальной природы – подобная мысль привела к созданию Гутом (американец) новой модели.

2. Раздувающаяся, инфляционная модель Вселенной Алана Гута (инфляция – вздутие). Различие в эволюции Вселенной в инфляционной модели и теории Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка  10-30 с., далее принципиальных расхождений нет.

Суть модели – в квантовом вакууме в условиях очень высокой энергии частицы создают сильное натяжение. Давление внутри вакуума не положительно, а отрицательно (направлено внутрь), это приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталкивания по теории Эйнштейна. В результате под действием гигантских сил отталкивания квантовый вакуум вздувается за 10-30 с. в 1030 раз. Раздувание (расширение) происходит молниеносно, вакуум охлаждается и гигантская освободившаяся энергия излучается, ее температура 1028 К0.  При такой температуре привычные нам частицы (кварки, лептоны) не существуют, а возникают после охлаждения вакуума. Для вакуума с отрицательным давлением характерны квантовые флуктуации – это и есть начальные состояния будущих галактик и их скоплений.

Итак, Большой взрыв есть длящееся невообразимо короткое мгновение расширение высокоэнергетического квантового вакуума (по поводу которого до сих пор ведутся споры).

Для ученых возникает трудность в объяснении причин космической эволюции. Для объяснения эволюции Вселенной выделяются две основные концепции: а) концепция самоорганизации – материальная Вселенная это единственная реальность, другой не существует. Идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении все большего усложнения их структур. Динамический хаос порождает порядок.

б) концепция креационизма, т.е. образование Вселенной и ее эволюция связаны с реализацией программы (программы высшего порядка, чем материальный мир), определяющей законы развития от простых систем к более сложным, в ходе которого  созданы условия для возникновения жизни и человека.

В качестве дополнительного аргумента привлекается антропный принцип.   

Солнечная система

Солнечная система входит в состав галактики Млечный путь и представляет собой группу небесных тел, различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, восемь больших планет, десятки спутников планет, 5 карликовых планет, примерно 100 тысяч малых планет (астероидов), около 1011 комет, бесчисленное множество метеороидов и космическая пыль. Все пространство пронизано межгалактическими лучами.

Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца и она удерживает планеты на околосолнечных орбитах.

Фундаментальной особенностью строения Солнечной системы является то, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, их осевое вращение противоположно солнечному. Самая большая скорость вращения у Меркурия, он совершает полный оборот вокруг Солнца за 88 земных суток, а скорость его осевого вращения составляет около 59 земных суток; у самой удалённой планеты Нептуна орбитальный период составляет 165 лет, а скорость осевого вращения – 16 часов, у Земли 365 дней и 24 часа, интересное вращение у Венеры, имеющей массу примерно равную земной 225 з. суток и 243 з. сутки противоположно солнечному.

Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

8 больших планет расположены следующим образом (отсчет от Солнца):    Меркурий;

Венера;

Земля имеет 1 спутник;  

Марс – 2 (Деймос и Фобос);

Юпитер – 63 (Ио, где бушуют мощные вулканы, Европа имеет жидкий океан и может существовать жизнь, Ганимед по размеру больше Меркурия, Каллисто – крупнейшие спутники открыты впервые Галилеем. Систему Юпитера и систему Сатурна с их спутниками иногда называют «Солнечной системой в миниатюре»;

Сатурн – 61 (Титан, Феба, ...);

Уран – 27 (Титания, Офелия, ...);

Нептун – 13 (Тритон, Нереида, ...);

Карликовые планеты тоже имеют спутники: Церера; Плутон – 3 (Харон и Плутон двойная система планет, Гидра, Никта); Хаумеа – 2; Макемаке; Эрида – 1 спутник. 

У всех планет-гигантов есть кольца: у Юпитера они состоят из сравнительно мелких каменных частиц, вращающихся вокруг него; у Сатурна – система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в его экваториальной плоскости; Уран имеет 13 колец, состоящих из водяного льда с включениями органики; Нептун имеет 5 колец, состоящих из ледяных частиц, покрытых силикатами.

По физическим характеристикам большие планеты разделяются на:

- внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы);  

- внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты), вокруг которых группируется около 90% естественных спутников. Промежуточное положение между внешними и внутренними планетами занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет.  Планеты-гиганты имеют значительные размеры и массу, низкую среднюю плотность, характерную для газового состава, а Юпитер и Сатурн близки с Солнцем по химическому составу (водород и гелий). Юпитер массивнее всех остальных планет в 2 раза. Из планет земной группы Земля и Венера почти не отличаются по размерам, массе и средней плотности, Марс и Меркурий меньше их.

Планеты земной группы, астероиды и отдельные спутники (например, Луна) образованы из так называемого «земного вещества».

«Земное вещество» состоит кремния, железа, алюминия, магния и титана в окисленном состоянии. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. «Солнечное вещество» – водород и гелий с небольшими примесями неона, аргона и других элементов. Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К. Летучие вещества  углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород. Летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда.

Юпитер и Сатурн в основном состоят из «солнечного вещества» с примесями летучих веществ и «земного вещества». Для Урана и Нептуна основным веществом являются летучие вещества. Большая часть спутников планет-гигантов состоит в основном из летучих веществ с некоторой примесью «земного вещества». Те же составляющие, но в другой пропорции, характерны для комет.

Плане́та (с греч. блуждающая звезда) – массивное небесное тело, имеющее сфероидальную форму, движущееся по орбите вокруг звезды, в нем не протекают термоядерные реакции. А также вблизи орбит планеты имеется «пространство, свободное от других тел», которое появляется в процессе формирования планет.

В 2006 году на XXVI Ассамблее Международного астрономического союза (МАС) принято решение, согласно которому, Плутон не является планетой.

Солнце – единственная звезда в этой системе.

Масса Солнца 2·1027 тонн  и составляет 99,8 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Его диаметр 1,392×109 м или 109 диаметров Земли. Текущий возраст Солнца вычислен при помощи компьютерных моделей звёздной эволюции,  равен приблизительно 4,57 млрд. лет. По спектральной классификации Солнце относится к «жёлтым карликам». Солнце состоит из водорода (~73 % от m и ~92 % от V), гелия (~25 % от m и ~7 % от V) и других химических элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.

Солнце представляет собой шар из светящегося газа, выделяющий колоссальное количество света, тепла и других видов энергии.  Температура поверхности Солнца достигает 6000 К0, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения атмосферой Земли свет Солнца у поверхности планеты приобретает жёлтоватый оттенок. В недрах Солнца температура доходит до 15 млн. К0.

В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества и излучаются.

Свет от Солнца до нас доходит за 8 мин. и 20 сек. Излучение Солнца – основной источник энергии на Земле, оно определяет климат и поддерживает жизнь (фотосинтез невозможен без фотонов). Путём фотосинтеза энергия Солнца была запасена в полезных ископаемых: в нефти, торфе, каменном угле. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антисептические свойства, используемые для дезинфекции воды и различных предметов и оно вызывает загар, стимулирует выработку в организме витамина D. Интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли сильно меняется с широтой из-за озонового слоя и зависит от угла стояния Солнце над горизонтом в полдень, поэтому цвет кожи людей в различных регионах земного шара разный.

Солнце – звезда с сильным магнитным полем, меняющимся приблизительно каждые 11 лет. Изменения магнитного поля  связывают с солнечной активностью (это появление солнечных пятен, вспышек, солнечного ветра). С ними на Земле связаны полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, ухудшающие работу средств связи, средств передачи электроэнергии, и негативно воздействующие на живые организмы (головная боль и плохое самочувствие у людей). Предполагается, что солнечная активность играет большую роль в формировании и развитии Солнечной системы и влияет на структуру земной атмосферы.

Звезды

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном (плазменном) состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Проксима Центавра самая близкая звезда из всех известных на сегодня и находится на расстоянии 4, 22 свет. года от Солнца, глядя на нее мы видим ее такой какой она была более 4 лет назад.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч лет – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы – состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления – насчитывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления –многие сотни тысяч. И ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

Относительно размеров звезды бывают: - сверхгиганты с очень малой плотностью, Антарес его диаметр больше Солнца в 350 раз (1392 млн. м. у Солнца);

- гиганты их плотность также мала, но больше чем у сверхгигантов, диаметр больше солнечного в 10-100 раз;

- средние (Солнце - средняя звезда) их диаметр в 10 раз больше или меньше солнечного;

- красные карлики;

- белые карлики размеров с Землю, очень тусклые, очень плотные, их плотность выше плотности воды в 100 тыс. – 20 млн. раз.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Как правило, они начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации.

Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри них. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий.

Судьба звезды во многом зависит от ее массы. Когда звезда вроде нашего Солнца использует все свое водородное «топливо», ее гелиевая оболочка сжимается, а ее внешние слои расширяются, звезда превращается в красный гигант.

Это красный гигант.

Со временем внешние слои красного гиганта резко отходят, оставляя малое яркое ядро звезды, и она превращается в белый карлик из-за нехватки ядерного топлива. Постепенно звезда охладится, превратившись в черного карлика (в огромную массу углерода). Такая судьба ожидает Солнце через 7-8 млрд. лет.

Звезды, масса которых больше массы Солнца в несколько раз, израсходовав свое ядерное топливо, расширяются и превращаются в сверхгигантов (они крупнее красных гигантов), далее под воздействием тяготения происходит резкое сжатие их ядер. Высвобожденная энергия разносит звезду на части, то есть звезда взрывается и превращается в сверхновую звезду (взорвавшаяся звезда), имеющую яркость 10 млрд. Солнц. После сверхновой в зависимости от исходной массы звезды может остаться небольшое тело, называемое нейтронной звездой с диаметром не больше нескольких десятков км, состоящее из твердых нейтронов с очень большой плотностью больше чем плотность белых карликов. Астрономы считают, что пульсары  — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие свет (или звуковые волны, или радиоактивные волны) маленькими пучками, так что мы можем видеть их каждый раз, когда они направлены к Земле.

Звезда также может превратиться в черную дыру, места сосредоточения материи столь высокой плотности и со столь высокой гравитацией, что ничто материальное, свет или радиация не могут покинуть его.

Существуют еще красные карлики сильно отличающиеся от других звёзд, их диаметр и масса не превышает 1/3 Солнца. Температура поверхности красного карлика достигает 3500 К. Они испускают очень мало света, иногда в 10,000 раз меньше Солнца. Из-за медленной скорости сгорания водорода, красные карлики имеют очень большую продолжительность жизни от десятков миллиардов до нескольких триллионов лет. В красных карликах невозможны термоядерные реакции с участием гелия, поэтому они не могут превратиться в красные гиганты. Со временем они постепенно сжимаются и всё больше нагреваются, пока не израсходуют весь запас водородного топлива. Когда звезда достигает нижнего предела массы меньше 0,08 солнечной, то она считается коричневым карликом.

В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды.

PAGE  6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65258. Раціональне формування багатошарового штабелю для стабілізації його хімічного складу та підвищення використання залізорудної сировини 6.24 MB
  Ефективність технологічного процесу агломерації шихтових матеріалів та доменного переділу металургійних підприємств визначається їх базою сировини і якістю підготовки залізорудних матеріалів на рудних дворах.
65259. Особливості токсичного впливу протипухлинних засобів на прикладі циклофосфану, тамоксифену, 5-фторурацилу, естразину та їх гігієнічне регламентування у повітрі робочої зони 282.5 KB
  Мета дослідження – з’ясування характеру та можливого механізму розвитку метаболічних порушень під впливом антинеопластичних засобів різних груп та визначення пріоритетних критеріїв для їх гігієнічного регламентування у повітрі робочої зони.
65260. ОЧИЩЕННЯ ВОДНИХ СЕРЕДОВИЩ МАГНІТНИМ АКСІАЛЬНО-СИМЕТРИЧНИМ ПОЛЕМ 1.17 MB
  В практиці водоочищення відсутні дослідження впливу постійного аксіальносиметричного поперечного магнітного поля на заряджені домішки. Тому актуальними є встановлення закономірностей руху домішок водного розчину з урахуванням їх йонізації...
65261. УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ДИТЯЧОГО СПЕЦІАЛЬНОГО ВЗУТТЯ ДЛЯ СПОРТИВНИХ ТАНЦІВ 2.74 MB
  Однак взуттєвих підприємств спеціалізованих на виготовленні спортивного взуття поки що в Україні недостатньо. Ситуація ускладнюється ще й фактором використання нераціонального дитячого...
65262. Фізико-хімічні процеси при виготовленні великогабаритних фотоелектричних перетворювачів в умовах серійного виробництва 504.5 KB
  Найбільшої ефективності використання сонячної енергії досягнуто при прямому її перетворенні безпосередньо в електричну за допомогою напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів ФЕП.
65263. ЕКСПРЕСИВНИЙ ПОТЕНЦІАЛ ЗАСОБІВ ВТОРИННОЇ НОМІНАЦІЇ В МОВІ НОВІТНЬОЇ УКРАЇНСЬКОЇ ПУБЛІЦИСТИКИ 151 KB
  Проблема вторинної номінації є однією з найважливіших та найскладніших проблем сучасної лінгвістики а функціональні засоби вторинної номінації обєктом уваги вчених різних філологічних шкіл і напрямків...
65264. ОПТИМІЗАЦІЯ ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОЩУВАННЯ ПІЗНЬОСТИГЛИХ СОРТІВ КАПУСТИ БІЛОГОЛОВОЇ В УМОВАХ ПІВДЕННО-ЗАХІДНОЇ ЧАСТИНИ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ 515.98 KB
  На сучасному етапі розвитку овочівництва у звязку з постійним дорожчанням ресурсів і посиленням вимог до якості товарної продукції капусти білоголової широкого розвитку набуває науково обґрунтоване застосування мінеральних добрив...
65265. ПОКРАЩЕННЯ ДИСПЕРСНОСТІ РОЗПИЛЕННЯ ПЕСТИЦИДІВ 248 KB
  Актуальною є вимога енергозбереження: високодисперсне розпилення за умови низького тиску та осаджування краплин з мінімальними втратами через випаровування знесення і зісковзування з обєктів обприскування.
65266. Комплексна оцінка економічної безпеки підприємства (на прикладі підприємств гірничодобувної промисловості) 566 KB
  Теоретичні аспекти економічної безпеки підприємства та методики її оцінки розглянуто в наукових працях багатьох вітчизняних і зарубіжних учених зокрема Л. Разом з тим питання класифікації загроз і формування...