Російська академія правосуддя

Ростовський філія
Кафедра гуманітарних, соціально - економічних та природничих дисциплін

РЕФЕРАТ

З дисципліни:

«Концепції сучасного
природознавства »
На тему: «Еволюція Всесвіту»
Ростов - на - Дону
2004

План
Введення
1. Основні концепції космології
1.1 Припущення А. Ейнштейна
1.2 Висновки А.А. Фрідмана
1.3 Емпіричний закон - закон Хаббла
1.4 Гіпотези Г.А. Гамова
1.5 Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона
2. Модель гарячого Всесвіту
2.1 Космологія Великого Вибуху
2.2 Розподіл початковій стадії еволюції на ери
2.3 Інфляційна модель Всесвіту
3. Структура Всесвіту
3.1 Метагалактика
3.2 Галактики
3.3 Зірки
3.4 Сонячна система
Висновок
Список літератури

Введення
Дивлячись на всіяне зорями небо, людина приходить в захват, не залишаючись байдужим до споглядає. «Відкрилася безодня, зірок повна. Зіркам числа нема, безодні - дна », - ці прекрасні рядки М.В. Ломоносова, образно і найбільш повно описують перше враження, яке відчуває людина, милуючись заворожливої ​​картиною зоряного неба .* Про зірки складено безліч віршів і пісень. Зірки і безкрає небесний простір завжди притягували і притягують всіх: і самого звичайної людини, і поета, і вченого. Але для вчених зоряне небо - не тільки предмет захоплення і насолоди, але і захоплюючий, невичерпний об'єкт досліджень.
У ясну погоду в безмісячну ніч неозброєним оком можна спостерігати на небосхилі до трьох тисяч зірок. Але це лише невелика частина зірок та інших космічних об'єктів, з яких складається Всесвіт.
Всесвіт - це весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку.

1. Основні концепції космології
Протягом всієї історії цивілізації людство прагне пізнати навколишній світ і зрозуміти, яке місце воно займає у Всесвіті. Всесвіт - найбільша матеріальна система. Її походження цікавить людей ще з давніх часів. Спочатку Всесвіт був «пуста та порожня» - так сказано в біблії. Спочатку був вакуум - уточнюють сучасні фізики. Які ж витоки походження Всесвіту? Як вона розвивається? Яка її структура? На ці та інші питання намагалися відповісти вчені різних часів. Проте навіть найбільші досягнення природознавства ХХ ст. не дозволяють дати повністю вичерпні відповіді.
1.1 Припущення А. Ейнштейна
Тим не менш, прийнято вважати, що основні положення сучасної космології - науки про будову і еволюцію Всесвіту - почали формуватися після створення в 1917 р. А. Ейнштейном першого релятивістської моделі, заснованої на теорії гравітації і претендувала на опис всього Всесвіту. Ця модель характеризувала стаціонарний стан Всесвіту і, як показали астрофізичні спостереження, виявилася невірною .*
1.2 Висновки А.А. Фрідмана
Важливий крок у вирішенні космологічних проблем зробив у 1922 р. професор Петроградського університету А.А. Фрідман (1888-1925). У результаті рішення космологічних рівнянь він прийшов до висновку: Всесвіт не може, знаходиться в стаціонарному стані - вона повинна розширюватися або звужуватися .*
1.3 Емпіричний закон - закон Хаббла
Наступний крок був зроблений в 1924 р., коли в обсерваторії Маунт Вілсон в Каліфорнії американський астроном Е. Хаббл (1889-1953) виміряв відстань до найближчих галактик (у той час званих туманностями) і тим самим відкрив світ галактик. У 1929 р. в тій же обсерваторії Е. Хаббл по червоному зміщення ліній у спектрі випромінювання галактик експериментально підтвердив теоретичний висновок А.А. Фрідмана про розширення Всесвіту і встановив Емпіричний закон - закон Хаббла: швидкість видалення галактики V прямо пропорційна відстані r до неї, тобто V = Hr, де H - стала Хаббла .*
З плином часу стала Хаббла поступово зменшується - розбігання галактик сповільнюється. Але таке зменшення за спостережуваний проміжок часу мізерно малий. Зворотною величиною постійною Хаббла визначається час життя (вік) Всесвіту. З результатів спостереження випливає, що швидкість розбігання галактик збільшується приблизно на 75 км \ с на кожен мільйон парсеків (1 парсек дорівнює 3,3 світлового року; світловий рік - це відстань, яку проходить світлом у вакуумі за 1 земний рік). При даній швидкості екстраполяція до минулого приводить до висновку: вік Всесвіту становить близько 15 млрд. років, а це означає, що весь Всесвіт 15 млрд. років тому була зосереджена в дуже маленькій області. Передбачається, що в той час щільність речовини Всесвіту була порівнянною з щільністю атомного ядра, і весь Всесвіт представляла собою величезну ядерну краплю. З якихось причин ядерна крапля опинилася в нестійкому стані і вибухнула. Це припущення лежить в основі концепції великого вибуху.
Твором часу життя Всесвіту на швидкість світла визначається радіус космологічного горизонту - межа пізнання Всесвіту за допомогою астрономічних спостережень. Інформація про об'єкти за космологічним горизонтом до нас ще не дійшла - ми не можемо зазирнути за космологічний горизонт. Нескладний розрахунок показує, що радіус космологічного горизонту дорівнює приблизно 10 м. Очевидно, що цей радіус щомиті збільшується приблизно на 300 тис. км. Але таке збільшення мізерно мало в порівнянні з величиною радіуса космологічного горизонту. Для спостереження помітного розширення космологічного горизонту потрібно почекати мільярди років.
У концепції великого вибуху передбачається, що розширення Всесвіту відбувалося з однаковою швидкістю, починаючи з моменту вибуху ядерної краплі. В даний час обговорюється і інша гіпотеза - гіпотеза пульсуючого Всесвіту: Всесвіт не завжди розширювалася, а пульсує між кінцевими межами щільності. З неї випливає, що деякому минулому швидкість видалення галактик була меншою, ніж зараз, і були періоди, коли Всесвіт стискалася, тобто галактики наближалися один до одного і з тим більшою швидкістю, ніж більша відстань їх розділяло.
1.4 Гіпотези Г.А. Гамова
У міру розвитку природознавства і особливо ядерної фізики висуваються різні гіпотези про фізичні процеси на різних етапах космологічного розширення. Одна з них запропонована наприкінці 40-х рр.. ХХ ст. Г.А. Гамовим (1904-1968), фізиком - теоретиком, який емігрував у 1933 р. з Радянського Союзу в США, і називається моделлю гарячого Всесвіту .* У ній розглянуті ядерні процеси, що протікали в початковий момент розширення Всесвіту в дуже щільному речовині з надзвичайно високою температурою. З розширенням Всесвіту щільне речовина охолоджувалося.
З цієї моделі випливає два висновки:
- Речовина, з якого зароджувалися перші зірки, складалося в основному з водню (75%) і гелію (25%);
- У сьогоднішній Всесвіту має спостерігатися слабке електромагнітне випромінювання, яке зберегло пам'ять про початковий етап розвитку Всесвіту, і тому названа реліктовим.
1.5 Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона

З розвитком астрономічних засобів спостереження, і зокрема, з народженням радіоастрономії, з'явилися нові можливості пізнання Всесвіту. У 1965 р. американські астрофізики А. Пензіас і Р. Вільсон експериментально виявили реліктове випромінювання. Реліктове випромінювання - це фонове изотропное космічне випромінювання зі спектром, близьким до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К.

У 2000 р. повідомлялося: зроблено важливий крок на шляху розуміння самого раннього етапу еволюції Всесвіту. У лабораторії європейських ядерних досліджень в Женеві отримано новий стан матерії - кварк - глюонна плазма. Передбачається, що в такому стані Всесвіт перебувала в перші 10 мкс після великого вибуху. До цих пір вдавалося охарактеризувати еволюцію матерії на стадії не раніше трьох хвилин після вибуху, коли вже сформувалися ядра атомів.

2. Модель гарячого Всесвіту
Всесвіт-це сукупність усього, що існує. Земля, Місяць, Сонце і всі планети і зірки утворюють Всесвіт. Всесвіт повний великими і хвилюючими таємницями і загадками, які вчені намагаються розгадати. Багато висувають теорії щодо її походження. Вони стверджують, що Всесвіт існувала не завжди, але мала свій початок.
Виходячи з досліджень зірок і галактик, вчені помітили, що вони відокремлюються один від одного з великою швидкістю. Це дозволяє припустити, що в якийсь момент вони були з'єднані. Досвід, який пропонується для пояснення, яким був початок Всесвіту, полягає в тому, що повітряна куля розмальовують невеликі плями. Коли куля надувають, відстань між плямами збільшується, і плями також стають все більше. У цьому досвіді плями являють галактики, а надування кулі - поширення Всесвіту.
2. 1 Космологія Великого Вибуху
Бельгійський астроном Жорж Ламетрі, який вивчав зірки, висловив припущення, що 15 мільярдів років тому Всесвіт була маленькою і дуже щільною. Це стан Всесвіту він назвав «космічним яйцем». Відповідно до його розрахунків, радіус Всесвіту в первісному стані був рівний 10 см, що близько за розмірами до радіусу електрона, а її щільність становила 10 р. / см, тобто Всесвіт представляв собою мікрооб'єкт мізерно малих розмірів.
Від початкового стану Всесвіт перейшла до розширення в результаті Великого вибуху, тобто вся матерія, що входила до складу «космічного яйця», вирвалася назовні з великою швидкістю і розлетілася в усіх напрямках.
Сучасні галактики були фрагментами цього будинку, що вибухнув «яйця». Зірки галактик у свою чергу розвивалися, поки не прийняли сучасний стан. Зазвичай для визначення цього явища використовують англійський вираз Big-Bang, що означає «великий вибух».
Отже, в основі в основі сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту, або «Великого Вибуху».
Учень А. А. Фрідмана Г.А. Гамов розробив модель гарячого Всесвіту, розглянувши ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту, і назвав її «космологією Великого Вибуху».
Ключ до розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту - в гігантському кількості теплоти, що виділилася при Великий Вибух. У найпростішому варіанті теорії гарячого Всесвіту передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже великою щільністю і енергією. З розширенням Всесвіту температура падала від дуже великий до досить низькою, забезпечуючи виникнення умов, сприятливих для утворення зірок і галактик. На протязі близько 1 млн. років температура перевищувала кілька тисяч градусів, що перешкоджало утворенню атомів, і, отже, космічне речовина мало вигляд розігрітій плазми. Лише коли температура знизилася, виникли перші атоми. Таким чином, атоми - це релікти епохи, що настала через 1 млн. років після Великого Вибуху.
Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-15 млрд. років. Як було сказано раніше, Г.А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур.

2.2 Розподіл початковій стадії еволюції на ери
У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на ери.
Ера адронів (важких часток, що вступають в сильні взаємодії). Тривалість ери 0,0001 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 см. У кінці ери відбувається анігіляція частинок і античастинок, але залишається певна кількість протонів, гіперонів, мезонів.
Ера лептонів (легких частинок, що вступають в електромагнітне взаємодія). Тривалість ери 10 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 / див Основну роль відіграють легкі частинки, що беруть участь в реакціях між протонами і нейтронами.
Фотонна ера. Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси - енергії Всесвіту - припадає на фотони. До кінця ери температура падає з 10 до 3000 градусів за Кельвіном, щільність - від 10 р. / см до 10 р. / см. Головну роль грає випромінювання, яке наприкінці ери відокремлюється від речовини.
Зоряна ера настає через 1 млн. років після зародження Всесвіту. У зоряну еру починається процес утворення протозвезд і протогалактик. Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.
2.3 Інфляційна модель Всесвіту
У сучасній космології поряд з гіпотезою Великого вибуху обгрунтовується інфляційна модель Всесвіту, в якій розглядається ідея творіння Всесвіту. Ця ідея має складне обгрунтування і пов'язана з квантової космологією. У даній моделі описується еволюція Всесвіту, починаючи з моменту 10 с після початку розширення.
Відповідно до інфляційної гіпотезою космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.
Початок Всесвіту визначається як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту в 10 см (розмір атома 10) Основні події в ранньому Всесвіті розігрувалися за нікчемно малий проміжок часу від 10 с до 10 с.
У стадії інфляції створювалося саме простір і час Всесвіту. Весь цей початковий період у Всесвіті не було ні речовини, ні випромінювання. Потім стан помилкового вакууму розпалося, вивільнена енергія пішла на народження важких частинок і античастинок, які, проаннігіліровав, дали могутній спалах випромінювання (світла), осветившего космос. Так відбувся перехід від інфляційної стадії до фотонів.
Етап відділення речовини від випромінювання: залишилося після анігіляції речовина стала прозорим для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням пропав.
Надалі розвиток Всесвіту йшов у напрямку від максимально простого однорідного стану до створення все більш складних структур - атомів, галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів в надрах зірок, в тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і людини.

3. Структура Всесвіту
Всесвіту на самих різних рівнях, від умовно елементарних частинок і до гігантських сверхскоплений галактик, притаманна структурність. Структура Всесвіту - предмет вивчення космології, однією з важливих галузей природознавства, що знаходиться на стику багатьох природничих наук: астрономії, фізики, хімії та ін Сучасна структура Всесвіту є результатом космічної еволюції, в ході якої з протогалактик утворилися галактики, з протозвезд - зірки, з протопланетного хмари - планети.
3.1 Метагалактика
Частина Всесвіту, доступна дослідженню астрономічними засобами, що відповідають досягнутому рівню розвитку науки, називається Метагалактикою. Інакше кажучи, Метагалактика - охоплена астрономічними спостереженнями частина Всесвіту. Вона знаходиться в межах космологічного горизонту. Метагалактика представляє собою сукупність зоряних систем - галактик, а її структура визначається їх розподілом у просторі, заповненому надзвичайно розрідженим міжгалактичним газом і пронизує міжгалактичними променями .*
Згідно сучасним уявленням, для Метагалактики характерна чарункова (сітчаста, пориста) структура. Ці уявлення грунтуються на даних астрономічних спостереженнях, які показали, що галактики розподілені не рівномірно, а зосереджені поблизу кордонів осередків, усередині яких галактик майже немає. Крім того, знайдені величезні обсяги простору, в яких галактик поки не виявлено.
Якщо брати не окремі ділянки Метагалактики, а її великомасштабну структуру в цілому, то, очевидно, що в цій структурі не існує якихось особливих, чимось виділяються місць чи напрямків і речовина розподілено порівняно рівномірно.
Вік Метагалактики близький до віку Всесвіту, оскільки освіта її структури припадає на період, наступний за роз'єднанням речовини і випромінювання. За сучасними даними, вік Метагалактики оцінюється в 15 млрд. років. Вчені вважають, що, мабуть, близький до цього і вік галактик, які сформувалися на одній з початкових стадій розширення Метагалактики.
3.2 Галактики
Головні складові Всесвіту - галактики. Галактика - гігантська система, що складається з скупчень зірок і туманностей, що утворять у просторі досить складну конфігурацію.
За формою галактики умовно поділяються на три типи: еліптичні, спіральні й неправильні.
Еліптичні галактики володіють просторовою формою еліпсоїда з різним ступенем стиснення. Вони є найбільш простими за структурою: розподіл зірок рівномірно убуває від центру.
Спіральні галактики представлені у формі спіралі, включаючи спіральні гілки. Це найчисленніший вид галактик, до якого належить і наша Галактика - Чумацький Шлях.
Неправильні галактики не мають вираженої формою, в них відсутній центральне ядро.
Окрім зірок і планет галактики містять розріджений газ і космічний пил.
Чумацький Шлях добре видно в безмісячну ніч. Він здається скупченням світяться туманних мас, що простягнувся від однієї сторони горизонту до іншої, і складається приблизно з 150 млрд. зірок. За формою він нагадує сплюснутий кулю. У центрі його знаходиться ядро, від якого відходить декілька спіральних зоряних гілок. Наша Галактика надзвичайно велика: від одного її краю до іншого світловий промінь подорожує близько 100 тис. земних років. Велика частина її зірок зосереджена в гігантському диску товщиною близько 1500 світлових років. На відстані близько 2 млн. світлових років від нас знаходиться найближча до нас галактика - Туманність Андромеди, яка за своєю будовою нагадує Чумацький Шлях, але значно перевершує його за своїми розмірами .* Наша Галактика, Туманність Андромеди разом з іншими сусідніми зоряними системами утворюють Місцеву групу галактик. На відстані близько 30 тис. світлових років від центру Галактики розташоване Сонце.
На сучасному етапі еволюції Всесвіту речовина в ній знаходиться переважно в зоряному стані. 97% речовини в нашій Галактиці зосереджена в зірках, що представляють собою гігантські плазмові утворення різної величини, температури, з різною характеристикою руху.
Вік зірочок змінюється в досить великому діапазоні значень: від 15 млрд. років, відповідних віку Всесвіту, до сотень тисяч - наймолодших. Є зірки, які утворюються в даний час і знаходяться протозвездной стадії, тобто вони ще не стали справжніми зірками.
Народження зірок відбувається в газово-пилових туманностях під дією гравітаційних, магнітних та інших сил, завдяки яким йде формування нестійких однорідності і дифузна матерія розпадається на ряд згущень. Якщо такі згущення зберігаються досить довго, то з плином часу вони перетворюються на зірки. Важливо відзначити, що відбувається процес народження не окремої ізольованої зірки, а зоряних асоціацій.

3.3 Зірки
Світ зірочок надзвичайно різноманітний. І хоча всі зірки - розпечені кулі, подібні Сонцю, їх фізичні характеристики різняться досить суттєво .* Є, наприклад, зірки - гіганти і надгіганти. За своїми розмірами вони перевершують Сонце.
Окрім зірок гігантів існують і зірки - карлики, значно поступаються за своїми розмірами Сонця. Деякі карлики менше Землі і навіть Місяця.
Розрізняють також нейтронні зірки - це велетенські атомні ядра.
Зірки володіють різними поверхневими температурами - від кількох тисяч до десятків тисяч градусів. Відповідно розрізняють і колір зірок. Порівняно «холодні» зірки з температурою 3 -4 тис. градусів - червоного кольору. Наше Сонце з поверхнею, «нагрітої» до 6 тис. градусів, має жовтуватий колір. Найгарячіші зірки - з температурою вище 12 тис. градусів - білі і блакитні.
Зірки не існують ізольовано, а утворюють системи. Найпростіші зоряні системи - складаються з 2-х і більше зірок. Зірки об'єднані також в ще більші групи - зоряні скупчення.
3.4 Сонячна система
Сонячна система являє собою групу небесних тіл, дуже різних за розмірами і фізичною будовою .* У цю групу входять: Сонце, дев'ять великих планет, десятки супутників планет, тисячі малих планет (астероїдів), сотні комет, незліченна безліч метеоритних тіл. Всі ці тіла об'єднані в одну систему завдяки силі тяжіння центрального тіла - Сонця. Сонячна система є впорядкованою системою, що має свої закономірності будови. Єдиний характер Сонячної системи проявляється в тому, що всі планети обертаються навколо сонця в одному і тому ж напрямку і майже в одній і тій же площині. Сонце, планети, супутники планет обертаються навколо своїх осей в тому ж напрямку, в якому вони роблять рух за своїми траєкторіями. Закономірно і будова Сонячної системи: кожна наступна планета віддалена від Сонця приблизно в два рази далі, ніж попередня.
Сонячна система утворилася приблизно 5 млрд. років тому, причому Сонце - зірка другого покоління. Сучасні концепції походження планет Сонячної системи грунтуються на тому, що потрібно враховувати не тільки механічні сили, але й інші, зокрема електромагнітні. Вважається, що саме електромагнітні сили зіграли вирішальну роль при зародженні Сонячної системи.
Відповідно до сучасних уявлень, початкове газова хмара, з якого утворилися і Сонце, і планети, складалося з іонізованого газу, схильної до впливу електромагнітних сил. Після того як з величезної газової хмари посредствам концентрації утворилося Сонце, на дуже великій відстані від нього залишилися невеликі частини цієї хмари. Гравітаційна сила стала притягувати залишки газу до утворилася зірку - Сонцю, але його магнітне поле зупинило падаючий газ на відстані - як раз там, де знаходяться планети. Гравітаційна і магнітні сили вплинули на концентрацію і згущення падаючого газу, і в результаті утворилися планети. Коли виникли найбільші планети, той же процес повторився в менших масштабах, створивши, таким чином, системи супутників. Висновок.
Всесвіт у широкому сенсі - це середовище нашого існування. Тому важливе значення для практичної діяльності людини має та обставина, що у Всесвіті панують незворотні фізичні процеси, що вона змінюється з часом, знаходиться в постійному розвитку. Людина приступив до освоєння космосу, вийшов у відкритий космічний простір. Наші звершення набувають все більшого розмаху, глобальні і навіть космічні масштаби. І для того, щоб врахувати їхні близькі та віддалені наслідки, ті зміни, які вони можуть внести в стан середовища нашого існування, в тому числі і космічної, ми повинні вивчати не тільки земні явища і процеси, а й закономірності космічного масштабу.
Велике щастя для нас, що в первинному речовині був надлишок протонів над нейтронами. Завдяки йому залишилися у Всесвіті незв'язані протони, і згодом утворився водень, без якого не світило б сонце, не було б води, не могла виникнути життя. Не було б життя, не було б і людства .*
Картина еволюції Всесвіту, яка відкрилася перед нами, вражає уяву і дивує. Не перестаючи дивуватися, не слід забувати, що все це відкрив чоловік - мешканець маленької порошинки, загубленої в безмежних просторах Всесвіту, - планети Земля.

Список використаної літератури
1. Лавриненко В.М., Ратніков В.П., Концепції сучасного природознавства. М. 2003
2. Карпенків С.Х., Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів. М. 2003
3. Петросова Р.А., Голов В.П., Сівоглазов В.І., Природознавство і основи екології. М. 2000
4. Найдиш В.М., Концепції сучасного природознавства. М. 2003