2.3. Вселенная. Происхождение и развитие
В современной космологии существует две линии, объединяющие все группы гипотез происхождения Вселенной:
1 линия – классическая теория о происхождении Вселенной, которая основывается на мифах древности. Основатели: И. Кант – философ и Лаплас – физик, математик (жил во времена Наполеона).
Эта теория исходит из того, что Вселенная произошла из разреженного состояния материи путем дальнейшего ее сжатия под действием гравитации.
2 линия – основывается на прямо противоположном представлении. Здесь предполагается, что Вселенная произошла из сверхплотного состояния путем Большого взрыва и дальнейшего ее расширения. Основатели: академик Амбарцумян (происхождение Вселенной – Большой взрыв) и Фридман (дальнейшее расширение).
Эта теория называется «Релятивистская модель нестационарной (изменяющейся) Вселенной».
Эта вторая линия гипотез имеет научное обоснование, благодаря открытию микроволнового реликтового излучения, оставшегося от породившего Вселенную Большого взрыва, и эффекта Доплера, свидетельствующего о расширении Вселенной.
Реликтовое излучение было открыто в 1989 г. В 2006 году ученые (США) Джон Мэтер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию за открытие анизотропии реликтового излучения. Анизотропия реликтового излучения заключается в неоднородности температуры излучения, то есть излучение то более интенсивно, то менее. Мэтер и Смут открыли анизотропию реликтового излучения в апреле 1992 года, а еще ранее, в январе того же года, сотрудник РАН Андрей Брюханов выступил с сообщением об обнаружении анизотропии реликтового излучения в эксперименте «Реликт» на борту космического аппарата серии «Прогноз».
Через 1033 с после Большого взрыва установилось «нужное» соотношение плотности излучения и плотности вещества.
109 : 1 (излучение : вещество). При таком соотношении плотностей излучения и вещества отрицается аннигиляция (самоуничтожение) вещества и антивещества.
Согласно теории вероятности количество вещества и антивещества после Большого взрыва должно быть одинаковым.
Ядро: протоны нейтроны | антипротоны антинейтроны |
На орбите: электроны | позитроны
|
Пока нет объяснения, почему вещество преобладает над антивеществом после Большого взрыва. Объяснение существует на уровне гипотез (скрытые симметрии и асимметрии, например «Буриданов осел»). Буридан – первый ректор Сорбоннского университета.
После Большого взрыва через 1033 с развитие Вселенной можно разделить на 4 эпохи. Название эпох (этапов) происходит по преобладанию частиц, вещества, излучения.
1. Адронная эпоха (греч. «адрос» – тяжелый). После Большого взрыва материя существовала в виде частиц и поля, имевших огромную энергию. Этим объясняется название «Релятивистская …». Американские исследователи считают, что материя после Большого взрыва существовала не в виде раскаленного газа, а в виде жидкости. Первые частицы (прародители) – преоны. Распад преонов привел к появлению гипотетических частиц – кварков. Кварки не существуют в свободном состоянии, как предполагают, из них состоят протоны и нейтроны.
В эту эпоху под действием больших температур и давления из кварков начали образовываться протоны и нейтроны.
Кварки, протоны и нейтроны относятся к тяжелым частицам и называются адроны.
К концу эпохи из протонов и нейтронов начинают образовываться ядра. В большом количестве ядра образуются также в лептонную эпоху при Т = 1012 К (температура поверхности Солнца – 6000 К).
2. Лептонная эпоха (греч. «лептос» – легкий).
В эту эпоху образуется большое количество легких частиц, к которым относятся электроны, нейтрино и др. Нейтрино образуются в ядерных реакциях типа:
(электронное нейтрино).
Поскольку в эту эпоху существуют ядра и электроны, следовательно начинается образование атомов (Т = 107 К). Эта эпоха длится 10 с.
3. Эпоха излучения. Плотность излучения меньше, чем в адронную эпоху, но все равно многократно превышает плотность вещества.
По мере уменьшения температуры в результате рассеяния энергии плотность излучения уменьшается, а плотность вещества растет.
Длится 1 млн. лет.
4. Эпоха вещества. Плотность вещества преобладает над плотностью излучения. Длится 15 – 18 млрд. лет.
Дальнейшее развитие Вселенной зависит от соотношения (G H2):
-
если соотношение (G H2) < 0, то Вселенная может расширяться до бесконечности;
-
если (G H2) > 0, то расширение сменится сжатием.
Здесь G – гравитационная постоянная; Н – постоянная Хаббла (коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактик и расстоянием до них); – плотность вещества во Вселенной. Эдвин Хаббл – американский астрофизик.
Эффект Доплера (красное смещение)
Эффект Доплера состоит в изменении частоты принимаемого сигнала в зависимости от относительной скорости движения источника и приемника сигнала.
На рисунке, созданном воображением художника, показано, что частоты звучания оркестра изменились в результате движения платформы, на которой располагается оркестр (источник сигнала), что вызвало удивление музыкантов, стоящих на неподвижной платформе (приемник сигнала).
Как свидетельствует легенда, Доплер открыл эффект изменения частоты сигнала для звуковых волн, позднее эффект Доплера был установлен для электромагнитных волн.
Эффект Доплера для электромагнитных волн заключается в том, что спектр излучения далеких галактик смещается в красную сторону. Это связано с увеличением длины волны излучения от звезд далеких галактик. Эффект Доплера сначала был открыт в акустике (для звуковых волн). Заключается в изменении частоты () принимаемого излучения в зависимости от относительной скорости v движения источника и приемника излучения:
, (1)
где с – скорость света в вакууме; 0 – частота излучения, когда источник и приемник неподвижны. Это соотношение для электромагнитной волны.
Если источник и приемник удаляются друг от друга (в частном случае – удаляющаяся галактика), то относительная скорость движения v является положительной.
Тогда в соотношении (1) подкоренное выражение будет меньше 1, следовательно < 0 и частота излучения уменьшится.
Если частота () растет, то длина волны () уменьшается, если частота () уменьшается, то длина волны () увеличивается. Смещение спектра излучения в красную сторону (0,7 мкм) свидетельствует о том, что в настоящее время галактики удаляются друг от друга, а Вселенная расширяется.
Следовательно, раньше Мир был более плотным. Значит, вторая группа гипотез имеет научное подтверждение.
- Г.В. Ерофеева концепции современного естествознания
- Рецензенты
- Оглавление
- Глава 1. История развития естествознания
- Цели и задачи курса
- История развития естествознания
- 1.2. Развитие естествознания в трудах ученых Востока
- Улугбек Мухаммед Тарагай (1394–1449) – узбекский астроном и математик, внук Тимура (Тамерлана).
- 1.3. Естествознание в Европе
- 1.4. Естествознание в России
- Естествознание в XIX – XX веках
- Спектры испускания и поглощения
- Электромагнитная картина мира
- 1.6. Развитие теории света и современных разделов естествознания
- Физическая картина мира
- 1.7. Принципы квантовой механики
- Квантово-полевая картина мира
- 1.8. Открытия в биологии
- Вопросы для самоконтроля
- Глава 2. Общие вопросы естествознания
- 2.1. Свойства материи и виды законов
- Виды движения материи (виды способов существования материи)
- 2.2. Научный метод исследования в естествознании
- Вопросы для самоконтроля
- Свойства пространства–времени (формы существования материи)
- Симметрия и асимметрия
- Асимметрия в неживой природе
- Симметрия и асимметрия в живой природе
- Принципы симметрии
- Кривизна пространства
- Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции
- 2.3. Вселенная. Происхождение и развитие
- Объекты Вселенной
- Эволюция звезд
- Проблемы космологии
- Астрономические единицы для измерения расстояния между Галактиками
- Некоторые расстояния в парсеках
- Вопросы для самоконтроля
- Глава 3. Открытые системы. Синергетика как новое научное направление
- 3.1. Элементы нелинейной неравновесной термодинамики
- 3.2. Второе начало термодинамики
- Статистический вероятностный смысл II начала и энтропии
- 3.3. Понятие о синергетике
- Нарушение симметрии как источник самоорганизации
- Условия возникновения новых стационарных состояний в диссипативных структурах:
- 3.4. Трансформация идей и понятий естествознания в другие науки
- Циклы Кондратьева
- Самоорганизация в экономике
- Другие вопросы регулирования рыночной экономики
- Самоорганизация как основа эволюции экономических систем
- Различие эволюций
- 3.5. Гипотезы возникновения жизни
- Образование атмосферы Земли
- IV гипотеза Владимира Ивановича Вернадского
- Этапы происхождения Жизни
- Хронология истории Земли
- Синтетическая теория эволюции
- Хронология открытий второй половины хх века
- 3.6. Силы и взаимодействия в природе
- Фундаментальные взаимодействия
- Фундаментальные взаимодействия
- Силы и взаимодействия в атоме
- Связи между частицами вещества в молекуле
- 3.7. Иерархическая структура Мира
- Единство мира
- Происхождение Вселенной
- Асимметрия и жизнь
- Вопросы для самоконтроля
- Глава 4. Особенности биологической формы организации материи
- 4.1. Живые организмы как кибернетические системы
- Ферментные механизмы управления
- Биологические часы
- Распространение и передача состояний в биосистемах
- 4.2. Эколого–энергетические закономерности биосистем
- 4.3. Обратные связи в живых организмах
- Влияние солнечной активности. Космические циклы
- 4.4. Проблемы цивилизации
- 4.5. Анализ различий систем живой и неживой природы
- 4.6. Мозг человека
- Здоровый образ жизни
- 4.7. Проблемы и достижения естественных наук
- Вопросы для самоконтроля
- Словарь терминов
- Тезаурус
- Тезаурус 2009 по дисциплине ксе для специальностей с числом часов по гос меньше 130 (уровень 1)
- 1. Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира
- Тема 1-01-01. Научный метод познания
- Тема 1-01-02. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- Тема 1-01-03. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития)
- Тема 1-01-04. Развитие представлений о материи
- Тема 1-01-05. Развитие представлений о движении
- Тема 1–01-06. Развитие представлений о взаимодействии
- 2. Пространство, время, симметрия
- Тема 1-02-01. Принципы симметрии, законы сохранения
- Тема 1-02-02. Эволюция представлений о пространстве и времени
- Тема 1-02-03. Специальная теория относительности
- Тема 1-02-04. Общая теория относительности
- 3. Структурные уровни и системная организация материи
- Тема 1-03-01. Микро-, макро-, мегамиры
- Тема 1-03-02. Системные уровни организации материи (данная тема только для специальностей, в гос которых отсутствует биологический уровень организации материи)
- Тема 1-03-03. Структуры микромира
- Тема 1-03-04. Химические системы
- Тема 1-03-05. Особенности биологического уровня организации материи
- 4. Порядок и беспорядок в природе
- Тема 1-04-01. Динамические и статистические закономерности в природе
- Тема 1-04-02. Концепции квантовой механики
- Тема 1-04-03. Принцип возрастания энтропии
- Тема 1-04-04. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма
- 5. Панорама современного естествознания Тема 1-05-01.Космология (мегамир)
- Тема 1-05-02.Общая космогония (структуры мегамира)
- Тема 1-05-03. Происхождение Солнечной системы (структуры мегамира) (данная тема только для специальностей, в гос которых отсутствует биологический уровень организации материи)
- Тема 1-05-04. Геологическая эволюция
- Тема 1-05-05. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)
- Тема 1-05-06. Эволюция живых систем
- Тема 1-05-07. История жизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живых систем)
- Тема 1-05-08. Генетика и эволюция
- 6. Биосфера и человек
- Тема 1-06-01. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)
- Тема 1-06-02. Биосфера
- Тема 1-06-03. Человек в биосфере
- Тема 1-06-04. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье)
- Утверждаю
- Содержание дисциплины «Концепции современного естествознания» в блоке естественнонаучных дисциплин (ен.Ф.03, 100 часов)
- Утверждаю
- Список литературы