Вселенная. Современная космология

1.

Вселенная. Современная
космология
28.05.2022
Когда вдали угаснет свет дневной
И в черной мгле, склоняющемся к
хатам,
Все небо заиграет надо мной,
Как колоссальный движущийся
атом, В который раз томит меня мечта,
Что где-то там, в другом углу
Вселенной,
Такой же сад и та же темнота,
И те же звезды в красоте нетленной
Н.Заболоцкий

2. Космология

Космология — это раздел астрономии, изучающий свойства, строение
и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют
математика, физика, астрономия и философия.
Развитие современной космологии в
очередной раз показало безграничные
возможности человеческого разума,
способного исследовать сложнейшие
процессы, которые происходят во
Вселенной на протяжении миллиардов
лет.

3. Вселенная

Вселенная – это весь существующий материальный мир,
безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный
по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Значение
термина
«Вселенная» — место
вселения
человека,
доступное
эмпирическому
наблюдению.

4. История развития представлений о Вселенной

Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об
устройстве Вселенной.
Гераклид
Эйлалай описал
Понтийский
пифагорейскую
(V-IV в до н.э.)
систему мира, где
утверждал
Земля и Солнце
вращение Земли
обращались вокруг
вокруг своей оси и
некоего
донес идею о том,
«гигантского огня».
что Солнце может
служить центром
Шаррообразность
вращения планет
Земли утверждал
Анаксиандр
другой пифагорец
(610-547 г.г. до н.э.)
Парменид
высказал идею
(VI-V в.в. до н.э.)
изолированности
Земли, в
пространстве.

5. Первые научные представления о Вселенной

Геоцентрическая
система мира
Система Аристотеля–Птолемея первая научная космологическая
модель Вселенной. Мир считался
ограниченным сферой
неподвижных звёзд, за которой нет
ничего.
Гелиоцентрическая
система мира
В центр мира Коперник поместил
Солнце, вокруг которого вращались
планеты (в числе и Земля). Вселенная
по-прежнему считается ограниченной
сферой неподвижных звёзд.

6. Развитие представлений о Вселенной

Система Томаса Диггеса
Звёзды располагаются не на одной
сфере, а на различных расстояниях
от Земли до бесконечности.
Представления
Джордано Бруно
Звёзды — это далёкие солнца и что
физические законы во всем
бесконечном и безграничном
пространстве одинаковы

7. Развитие представлений о Вселенной

Великий немецкий ученый, философ
Иммануил Кант (1724-1804) создал
первую универсальную концепцию
эволюционирующей Вселенной.
Он представлял Вселенную ровной
структуры и представлял бесконечной.
Возникновение такой Вселенной могло
быть только под действием механических
сил притяжения и отталкивания и
попытался выяснить дальнейшую судьбу
этой Вселенной начиная с планетной
системных и кончая миром туманности.

8. Развитие представлений о Вселенной

Эйнштейн считал, что Вселенная
однородна, изотропна и стационарна.
Изменения объектов во Вселенной никак
не влияет на облик Вселенной.
В своё основное уравнение ОТО он ввёл
космологическую постоянную (лямбдачлен).
Кроме сил тяготения во Вселенной существует сила отталкивания.
Эта сила универсальна и зависит только от расстояния между телами и не
зависит от их массы.
Ускорение, которое она будет создавать этим телам, должно быть
пропорционально расстоянию: a = const•R.

9. Теории происхождения Вселенной

Креационизм
Теория «Разбиение сосудов»
Теория: «Бесконечно
пульсирующая Вселенная»
Теория Большого взрыва

10. Теории возникновения Вселенной

Креационизм
По данной гипотезе Вселенная и
все живые организмы произошли
по
воле
Божьей
сверхъестественной силой. Бог
сотворил мир в 4004 г. до н.э.,
создав человека. Эту гипотезу
выдвинул архиепископ Ашер в
1650г. (Ирландия)
Теория «разбиения
сосудов»
Теорию сформулировал в средних
веках кабалист Ицхак Луриа. Бог
работал над созданием бытия,
произошла катастрофа.
Божественные лучи, которые были
основными компонентами
создания, были разбиты. В
результате этой катастрофы все
лучи рассеялись и ушли в хаос.

11. Теория “Бесконечно пульсирующей Вселенная”

Согласно этой теории мир никогда не возникал и никогда не исчезал (или по
другому рождается и умирает бесконечное количество раз), но обладает
периодичностью, при этом под сотворением мира понимается точка отсчета после
которой мир строится заново. Вселенная проходит поочередно периоды сжатия и
расширения. Вселенная вечно пульсирует между «Большим взрывом» и «Большим
сжатием»

12. Теория большого взрыва

Вселенная возникла из некоторого начального «сингулярного» состояния в
результате «Большого взрыва» и с тех пор непрерывно расширяется и
охлаждается.
«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и
который начинается из определенного центра и затем распространяется,
захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который
произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство,
причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой
частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.М., 1981.-С. 30).

13. Появление Вселенной

Примерно 13 млрд лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой
области. Плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра: Вселенная
представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта
«капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Протовещество с гигантской
скоростью начало расширяться, разлетаясь во всех направлениях и представляло собой
однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при
столкновении частиц.
Остывая и взаимодействуя на
протяжении миллионов лет, вся эта
масса рассеянного в пространстве
вещества концентрировалась в
большие и малые газовые
образования, которые в течение сотен
миллионов лет, сближаясь и
сливаясь, превращались в громадные
комплексы, в которых возникали
более плотные участки – там
образовались звезды и даже целые
галактики.

14. Теория большого взрыва

После взрыва образовалось два вида материи: вещество
и поле. Первые химические элементы H, He, H2. H и He
стали образовывать сгущения и из них образовались
звезды. Более тяжелые металлы образовались в недрах
звезд в результате звездного нуклеосинтеза. Элементы
более тяжелые, чем Fe образовались при взрыве новых и
сверх новых звезд.
На месте остатка взрыва сверхновых формировались
новые звезды и их планетные системы. Более плотные
вещества образовали внутренние планеты карлики,
менее плотные – планеты гиганты на периферии
системы.
Когда Земля выросла до современной массы, она
нагрелась за счет распада изотопов и путем улавливания
кинетической энергии от столкновения крупных
обломков.
В результате нагрева Fe и Ni расплавившись погрузились
в центр планеты и образовали ядро. Остальной материал
образовал мантию (менее раскаленный). Остывший –
земную кору.

15. Теория расширяющей Вселенной

Модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся
Вселенной, построена на основе общей теории относительности и
релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в
1916 году.
В основе этой модели лежат два предположения:
1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и
направления (изотропность);
2) гравитационные поля описываются уравнениями Эйнштейна. Из этого
следует кривизна пространства и ее связь с плотностью массы (энергии).
В 1929 г. американский астроном Э.
Хаббл (1889-1953) с помощью
астрофизических
наблюдений
открыл расширение Вселенной,
подтверждающее
правильность
выводов Фридмана.
ВИДЕО

16. Теория расширяющей Вселенной

В 1922-1924 гг. советским математиком А.А. Фридманом были
предложены общие уравнения для описания всей Вселенной,
меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут
находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они
должны либо удаляться, либо сближаться.
Такой результат – неизбежное следствие
наличия
сил
тяготения,
которые
главенствуют в космических масштабах.
Отсюда
следовал
пересмотр
общих
представлений о Вселенной.

17. Теория расширяющей Вселенной

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с
помощью
астрофизических
наблюдений
открыл
расширение Вселенной, подтверждающее правильность
выводов Фридмана. Это открытие названо «красным
смещением»
Красное смещение — это понижение частот ЭМВ: в видимой
части спектра линии смещаются к его красному концу.
Согласно эффекту Доплера при удалении от нас источника
колебаний частота уменьшается, а длина волны
увеличивается.
При излучении происходит «покраснение», т. е.
линии спектра сдвигаются в сторону более
длинных красных волн.
Для всех далеких источников света красное
смещение тем больше, чем дальше находился
источник. Красное смещение оказалось
пропорционально расстоянию до источника, что
и подтверждало гипотезу о расширении
Метагалактики — видимой части Вселенной.

18. Теория расширяющейся Вселенной

Эволюция Вселенной зависит от средней плотности вещества.
Если плотность не превосходит некоторого критического значения,
Вселенная будет расширяться вечно. При ƍ< ƍкр - расширение Вселенной.
Если же плотность больше критической, то процесс расширения когда -нибудь
остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному
сингулярному состоянию. При ƍ> ƍкр - сжатие Вселенной.
Критическое значение плотности вещества ƍкр от которого зависит характер
его движения рассчитывается по формуле:
где H = 2,4·10-18 с-1 –
постоянная Хаббла, G =
6,67·10-11 (Н·м2)/кг2 –
гравитационная постоянная.
ƍкр =10-26 кг/м3.
Усреднённая плотность
вещества во Вселенной ƍ =
3·10-28 кг/м3 .

19. Этапы развития Вселенной. Адронная эра.

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

20. Этапы развития Вселенной. 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.

21. Этапы развития Вселенной. Фотонная эра или эра излучения.

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура
Вселенной понизилась до 1010 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

22. Этапы развития Вселенной. Звездная эра.

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.

23. Современная Вселенная

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о
скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной
огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в
первоначальном объеме 10-99см3.
Однако во Вселенной существует не
только материя, но и гравитационное
поле. Известно, что энергия
последнего отрицательна и, как
оказалось, в нашей Вселенной энергия
гравитации в точности компенсирует
энергию, заключенную в частицах,
планетах, звездах и прочих массивных
объектах. Таким образом, закон
сохранения энергии прекрасно
выполняется, и суммарная энергия и
масса нашей Вселенной практически
равны нулю.

24. Структура Вселенной

Скопления
галактик
Метагалактика
Межзвёздное
вещество
Галактики
Реликтовое
излучение Звездные системы Звёздные скопления
Темная
материя

25. Метагалактика

Метагалактика – та часть Вселенной, которая изучена человеком
Диаметр изученной Вселенной d = 9,3·1010 св. л. = 879 847 933 950 014
400 000 000 км. Объём Метагалактики≈ 3,5·1080 м3.
Структура Метагалактики – ячеистая. Состоит из гигантских
элементов, образованных сверхскоплениями галактик и пустотами
между ними размерами до 300 Мпк, ограниченных "стенками" из
галактик толщиной до 10 Мпк.

26. Сверхскопления галактик

Сверхскопление галактик — многочисленные группы галактик и
скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры
Вселенной.
Общее число галактик в Метагалактике может составлять более 1010 –
1012 объектов, включающих в свой состав свыше 1021 –1024 звезд. В
состав сверхскоплений могут входить до 50 000 галактик.

27. Скопления галактик

Скопления галактик — это гравитационно – связанные системы,
насчитывающие более 50 объектов и имеющие диаметр во Вселенной ,
равный десяткам миллионов световых лет.

28. Группа галактик

Группа галактик — скопление галактик первого порядка (не путать с
термином «скопление галактик»). Группа галактик, как правило, не
превышает 50 объектов, яркость каждого из которых порядка яркости
галактики Млечный Путь
Млечный Путь вместе с 30 другими галактиками образуют так
называемую Местную группу.

29. Реликтовое излучение

Через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением
нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а
излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это
излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К. При расширении
Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в
настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует
миллиметровому диапазону.
Реликтовое фоновое излучение открыли в
Распределение температуры
1964 году американские ученые Арно
реликтового излучения.
Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось
в
высокой
степени
изотропным,
одинаковым по всем направлениям и
своим существованием подтверждает
модель
горячей
расширяющейся
Вселенной
Светлые области отличаются от темных всего
на 0,001 К

30. Темная материя. Темная энергия

Темная материя – невидимая человеческому глазу субстанция.
Она способна собираться в сгустки (размером с галактику или
скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях
так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не
открытых еще в земных условиях частиц.
По одной из гипотез частицы темной материи в 100–1000 раз
тяжелее протона, и их взаимодействие с обычным веществом по
интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино.
Темная энергия — гораздо более странная
субстанция, чем темная материя. Она не
собирается в сгустки, а равномерно
«разлита» во Вселенной. В галактиках и
скоплениях галактик её столько же,
сколько вне их.
ВИДЕО