Концепции современного естествознания. Астрономическая картина мира Наглядная модель эволюции Вселенной Саган

1.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Лекция 5
Астрономическая картина мира
Наглядная модель эволюции Вселенной Саган
Кандидат химический наук, доцент
Бахтиярова Юлия Валерьевна

2.

Миры, в которых мы живём

3. Структурные уровни материи

Доступная нам природа условно разделяется на
следующие уровни:
1. Микромир - элементарные частицы, ядра атомов,
комплексы ядер, атомы, молекулы;
2. Макромир - комплексы молекул; микрофизические
комплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка;
организмы; сообщества организмов: экосистемы,
биосфера;
3. Мегамир - планеты, звездно-планетные комплексы,
галактики, Метагалактика.
3

4.

5. Астрономия

Слово «астрономия» происходит от греческих astron звезда и nomos - закон. Современная астрономия
изучает процессы, протекающие макро- и мегамире.
5

6. Космология

Происхождение, эволюция и устройство Вселенной
как целого изучаются космологией.
«Космология» от греч. Kosmos - вселенная и logos закон.
Современная космология - раздел астрономии,
опирающийся на синтез научных, философских, а
порой и религиозных знаний.
Теории о происхождении и устройстве Вселенной
эмпирически
труднопроверяемы
и
потому
существуют в виде теоретических гипотез или
математических моделей.
6

7. Космогония

Раздел астрономии, изучающий
космических объектов и систем.
происхождение
Отличие от космологии – различные подходы к
изучаемым объектам.
Космология
изучает
закономерности
всей
Вселенной, а космогония рассматривает конкретные
космические тела и системы.
7

8.

Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты
(в переводе с греческого – «блуждающие»). Планеты – это небесные
тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не
имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они
значительно меньше звезд.
8

9. Звезды

9

10. Классификация галактик

Галактика - гравитационно-связанная система из звёзд,
звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, тёмной
материи, планет. Все объекты в составе галактики участвуют в
движении
относительно
общего
центра
масс.
Все галактики (за исключением нашей) — чрезвычайно
далёкие астрономические объекты. Расстояние до ближайших
из них измеряют в мегапарсеках, а до совсем далёких — в
единицах красного смещения z.
Классификация галактик
В современной астрономии наиболее широко используется самая
первая классификация галактик, предложенная Эдвином Пауэллом
Хабблом в 1926 году, и доработанная впоследствии им же, а затем
Жераром де Вокулером и Аланом Сендиджем.
Эта классификация основана на форме известных галактик, все
галактики делятся на 5 основных типов:
• — эллиптические (Е);
• — спиральные (S);
• — спиральные галактики с перемычкой - баром (SB);
• — неправильные (Irr);
• — линзообразные (S0) - этот класс Хаббл добавил последним,
спустя 10 лет после первой предложенной классификации.
10

11. Галактики

11

12. Галактика «Млечный путь»

Название нашей Галактики — Млечный Путь. Это огромный
вращающийся плоский диск, состоящий из газа, пыли и около 200
миллиардов звезд. Расстояние между соседними звездами в галактике
составляет триллионы километров пустого космического пространства.
Наше Солнце, одна из множества звезд, населяющих галактику,
находится на ее периферии.
12

13.

Туманность Андромеды
Радиогалактика Центавр A (NGC 5128)
в видимом свете
Столкновение галактик
Радиогалактика Центавр A (NGC 5128).
13
Изображение в рентгеновсокм диапазоне

14. Развитие представлений о строении Вселенной

Основные идеи и достижения
Авторы
Идея о гелиоцентрической системе
Аристарх Самосский (III в.до н.э)
Теория Солнца и Луны система
Гиппарх (II в. до н.э.)
Геоцентрическая теория
К. Птолемей (90-168 гг.)
Определение радиуса Земли и Солнца
Бируни(973-1048гг.)
Определения главных астрономических
постоянных
Улугбек (1394-1449 гг.)
Гелиоцентрическая система
Н. Коперник (1473-1543 гг.)
Идея бесконечности Вселенной
Д. Бруно (1548-1600 гг.)
Открытие пятен на Солнце, фаз Венеры, гор
на Луне, 4 спутников Юпитера
Г. Галилей (1564-1642 гг.)
Законы движения планет
И. Кеплер (1571-1630 гг.)
Законы небесной механики
И. Ньютон (1642-1727 гг.)
Звездно-космогоническая теория развития
космической материи
У. Гершель (1738-1822 гг.)
Определение расстояния до звезд
Ф.В. Бессель (1784-1846 гг.)
Гипотеза о возникновении солнечной системы И. Кант (1724-1804 гг.)
14

15.

Развитие представлений о строении Вселенной
Основные идеи и достижения
Авторы
Идея о внутриатомной природе источников
звездной энергии
Д.Х. Джинс (1877-1946 гг.)
Теория звездной природы галактик
Э.П. Хаббл (1889-1953 гг.)
Открытие зависимости между абсолютной
звёздной величиной и спектральным
классом звёзд
Э. Герцшпрунг (1888-1925 гг.)
Модель расширяющейся Вселенной
А. Фридман (1873-1967 гг.)
Теория горячей Вселенной
Г. Гамов (1904-1968 гг.)
Открытие квазаров
М. Шмидт, Т. Мзтьюз, Э. Сэндидж
Открытие пульсаров
Э. Хьюиш (род. в 1924 г.)
15

16.

16

17.

17

18. Наглядная модель эволюции Вселенной Саган

Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модель
эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1
сек. – 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:
Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.
Образование галактик 10 января
Образование Солнечной системы 9 сентября
Образование Земли 14 сентября
Возникновение жизни на Земле 25 сентября
Океанский планктон 18 декабря
Первые рыбы 19 декабря
Первые динозавры 24 декабря
Первые млекопитающие 26 декабря
Первые птицы 27 декабря
Первые приматы 29 декабря
Первые гоминиды 30 декабря
Первые люди 31 декабря ~ в 22 час.30 мин.
18

19. Современные космологические теории эволюции Вселенной (основные теории)

Основные теории эволюции Вселенной
Теории стационарного состояния
Вселенной
Теории нестационарного состояния
Вселенной
Общим для них является
представление о
Стационарной Вселенной.
Стационарность означает:
• Вселенная не претерпевает
эволюции
• Изменяться могут отдельные
космические объекты, но не мир в
целом.
Пространство и время:
абсолютны (т.е. не зависят от
материальных объектов и процессов),
метрически
Общим для них является представление о
Нестационарном изотропном и однородном
характере ее моделей.
Нестационарностъ означает:
• Вселенная и ее пространство
расширяются с течением времени;
• Либо Вселенная сжимается;
• Либо во Вселенной чередуются циклы
сжатия и расширения.
Изотропность означает: свойства
Вселенной одинаковы во всех ее
направлениях.
Однородность означает: свойства
Вселенной одинаковы во всех ее точках
бесконечны, однородны и изотропны

20.

Современное представление о
возникновении Вселенной
• Теория Большого взрыва – описывает то, что
стало
пусковым
механизмом
расширения
первичной материи.
• Инфляционная теория – рассматривает причины
расширения вещества.
• Модель расширения Фридмана – описывает
процессы распределения материи в пространстве.
• Иерархическая
теория
–
возникновение всех структур космоса.
описывает
20

21. Ограниченность классической космологии (представления о вечной и бесконечной Вселенной)

1.
Гравитационный парадокс парадокс Неймана - Зелигера. (возникает в
теории тяготения Ньютона, но его нет в ОТО) Предположение о
бесконечности Вселенной ведет к признанию бесконечности действующих в
ней сил тяготения. Это должно было бы привести к коллапсу Вселенной, что
противоречит ее вечности. Из него следует: Вселенная ограничена, а
количество небесных тел конечно).
2. Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно
существовать бесконечное число тел, а значит, светимость неба тоже должна
быть бесконечной, однако этого не происходит.
3. Термодинамический парадокс – связан с открытием вывода из 2го закона
термодинамики: При всех превращениях различные виды энергии в конечном
итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического
равновесия, т.е. рассеивается в пространстве». Т.к. процесс необратим – рано
или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе
прекратятся. Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Т.е.
наступит «тепловая смерть Вселенной»
Вселенная когда-то имела начало и неизбежно будет иметь конец!
Т.о. космологические парадоксы заставили ученых усомниться в бесконечности и
вечности Вселенной.
21

22.

22

23.

Релятивистский - физ. термин, относящийся к явлениям,
рассматриваемым на основе специальной (частной) теории
относительности (теории движения тел со скоростями, близкими к
скорости света) или на основе общей теории относительности
(теории тяготения) А. Эйнштейна.
Релятивистская космология - теория строения и эволюции
вселенной в целом, основанная на общей теории относительности;
Релятивистская астрофизика - раздел астрофизики, изучающий на
основе теории тяготения А. Эйнштейна свойства сверхплотных
космических тел - нейтронных звезд и черных дыр;
Релятивистская механика - раздел механики, изучающий законы
движения тел со скоростями, близкими к скорости света;
Релятивистская космология частица - частица, движущаяся с
релятивистской скоростью (близкой к скорости света).
23

24. Стационарная релятивистская космологическая модель

• Создана в 1916 г. А. Эйнштейном. В ее основу положена
общая теория относительности.
• Вселенная рассматривалась Эйнштейном как вечная,
статичная, не развивающаяся, симметричная во времени и
пространстве.
Особенности релятивистской космологической модели
1. Сохранение принципа стационарности, неизменности Вселенной во
времени.
Эйнштейн
даже
видоизменил
общую
теорию
относительности, введя в нее представление о дополнительной
космической силе отталкивания, которая должна уравновесить
взаимное притяжение звезд.
2. Введение представления о конечности
Вселенной, которая
проявляется не через наличие границ, а через замкнутость в
пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к нему с
противоположной стороны.
24

25. Космологическая концепция Фридмана (модель расширяющейся Вселенной)

В 1922 г. российский математик и физик
Александр Александрович Фридман (1888-1925)
выступил с критикой теории Альберта Эйнштейна
и предложил свою концепцию.
Принципы концепции Фридмана
3. Принцип конечной скорости протекания любых
физических процессов.
4.
Принцип
нестационарности
Вселенной:
искривленное пространство не может быть
стационарным, его кривизна должна меняться
во времени.
25

26. Модели Вселенной Фридмана

• Случай средней плотности вещества ниже критической (10-29 г/см 3).
Тогда кривизна пространства должна быть отрицательной, отвечающей
геометрии Лобачевского. В этом случае Вселенная должна бесконечно
расширяться.
• Случай плотности вещества равной критической (10-29 г/см 3).
В этом случае пространство обладает нулевой кривизной, отвечающей
геометрии Евклида. Вселенная также должна неограниченно расширяться с
постепенным уменьшением скорости расширения.
• Случай плотности выше критической (10-29 г/см 3).
В этом случае кривизна пространства изменяется с отрицательной на
положительную. Вселенная должна периодически расширяться и сжиматься.
26

27.

27

28. ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ

Американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) обнаружил в 1929г.
эффект «красного смещения» - понижение частот электромагнитного
излучения в спектрах удаленных галактик.
Δλ =λ – λ0
Например, голубая линия в спектре водорода имеет λ0 =486,1 нм, а в
спектре звезды она имеет λ= 486, 6 нм. Δλ = 0,5 нм
28

29.

Красное смещение для галактик было обнаружено американским
астрономом Весто Слайфером в 1912—1914 годах;
в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение для далёких
галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно
пропорционально расстоянию Несмотря на то, что, как выяснилось
позже, проводимые им измерения оказались неточными и, по сути, не
имеющими отношения к космологическому красному смещению
(расширение Вселенной начинает сказываться на гораздо больших
расстояниях), как показали более поздние измерения, «открытый» им
закон действительно имеет место.
Хотя
предлагались
различные
объяснения
наблюдаемого
смещения спектральных линий, например, гипотеза утомленного света,
только ОТО даёт непротиворечивую картину, объясняющую все
наблюдения. Данное объяснение этого явления является общепринятым.
29

30. Гипотеза Большого взрыва (модель горячей Вселенной)

В 40-е годы XX в. предложена американским физиком русского
происхождения Джоржем (Георгием Антоновичем) Гамовым (19041968).
Согласно этой гипотезе эволюция Вселенной после взрыва из
первоначального состояния сингулярности происходила поэтапно.
Этапы эволюции Вселенной называются эрами.
30

31. Расширяющаяся Вселенная

Поскольку излучение большинства звезд показывает красное
смещение, то Вселенная находится в состоянии расширения, а
значит, нестационарна.
Оценка времени существования Вселенной
Если бы скорость расширения была постоянной то можно было бы
оценить возраст в 18 млрд лет, если
расширение Вселенной
постепенно замедляется, то
в 12 млрд лет, если существуют
космические силы отталкивания, то в 12-20 млрд лет.
31

32. Сингулярность

В 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр (1894-1966)
предложил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10-12см,
а ее плотность - 1096 г/см3.
В 1965 г. английский физик-теоретик Стивен Хокинг (р. 1942-2018)
математически обосновал необходимость состояния сингулярности в
любой модели расширяющейся Вселенной.
Стивен Хокинг
Роберт Милликен
Жорж Леметр
32
Альберт Эйнштейн

33.

33

34.

Этапы эволюции Вселенной
1. Адронная эра: длительность 10-7 с, температура Вселенной 1032 К.
Главными составляющие: элементарные частицы, между которыми
осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная - разогретая
плазма.
2. Лептонная эра: длительность 10 с, температура 1015 К. Главные
составляющие: лептоны (электроны, позитроны, и др.).
3. Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура 10 000 К.
Преобладает излучение, а вещество ионизировано.
4. Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится
нейтральной и темной. Возникают первые протозвезды и
протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом
и начинает свободно перемещаться по Вселенной (эти фотоны и
нейтрино, остывшие до 3 К - реликтовое излучение).
34

35. Экспериментальное подтверждение гипотезы Большого взрыва

В середине 1960-х годов на основе модели горячей Вселенной
астрофизиками из СССР и Великобритании были вычислены
ожидаемые характеристики реликтового излучения.
Реликтовое излучение – космическое электромагнитное
излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба и имеющее
спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при
температуре около 3 К. При такой температуре основная доля
излучения приходится на радиоволны сантиметрового и
миллиметрового диапазонов.
Открытие реликтового излучения
В 1964 г. радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р.1936) и Арно Элан
Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон»
провели измерения радиоизлучения межзвездной среды на волне
длиной 7,35 см. Они обнаружили на длине волны 7,35 см
микроволновый шум, не зависящий от направления и времени
суток, а также и от времени года. Это свидетельствовало, что эти
радиоволны, приходят не от Млечного Пути, а от значительно
большего объема Вселенной.
35

36. Остающиеся вопросы

Гипотеза Большого Взрыва не дает ответа на некоторые вопросы.
1. Каковы причины образования галактик из ионизированного газа?
2. Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества?
36

37. Модель инфляционной Вселенной

Американский физик Алан Гут (р. 1947 г.)
предложил модель инфляционной Вселенной
для
описания
первых
мгновений
её
существования.
Развита в трудах ряда отечественных и
зарубежных физиков.
Модель
не
противоречит
гипотезе
Большого Взрыва, включая ее в качестве
своего частного случая. Базовым понятием
инфляционной
космологии
является
заимствованное в квантовой теории поля
понятие физического вакуума.
Физический вакуум
Физический вакуум - форма материи, которая представляет собой
невозбужденное состояние квантовых полей разных типов. В нем
постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы.
Вселенная — один из «пузырей», возникших из вакуумной пены.
37

38. Эволюция Вселенной ИНФЛЯЦИЯ

1.
Фаза инфляции (раздувания) Промежуток от 10-43 до 10-34 с.
Формируются
пространственно-временные
характеристики
100
Вселенной и она «раздулась» до размера 10
см. Скорость
раздувания значительно превосходила световую.
2.
Через 10-34 с Вселенная перешла в область обычного
гравитационного притяжения, но благодаря первоначальному
импульсу расширение продолжается, температура возрастает до
1029 К.
На этом заканчивается стадия инфляции и начинается эволюция
горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва.
38

39.

39

40. Модель инфляционной Вселенной

40

41.

41