Космологические модели Вселенной

 

Московский Гуманитарно-Экономический  институт.

Новороссийский филиал

 

 

Космологические модели Вселенной

 

Реферат

 

 

 

Выполнила: студентка 3-го курса 

Новороссийского филиала

Московского Гуманитарно-

Экономического 

института

Ковтун Инна Владимировна

 

Преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

Новороссийск 2013

 

 

 

Содержание

 

 

 

1. Введение -----------------------------------------------------------------------  3
2. Основная часть.  Космологические модели Вселенной ------------- 6

II.1. Космологическая модель Канта или классическая космологическая модель --------------------------------------------------------------------------------------- 6

II.2. Релятивистская модель Вселенной ---------------------------------------------- 7

II.3. Модель расширяющейся вселенной --------------------------------------------  8

II.4. Концепция Большого взрыва (модель горячей Вселенной)  -------------  11

II.5  Инфляционная (раздувающаяся) модель развития Вселенной  ---------  11

II.6. Проблемы современной космологии ------------------------------------------  13

II.7. Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций ---------  14

 

3. Заключение ------------------------------------------------------------------- 17
4. Источники -------------------------------------------------------------------- 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Целью моей работы является раскрытие основных космологических моделей Вселенной, которые составлены на основе гипотез, выдвинутых различными исследователями.

Изучив литературу по данной теме, я обратила внимание на то, что в некоторых работах слово «гипотеза» не применяется для определения точек зрения на возникновение Вселенной, а заменяется словами «теория» или «модель» и наоборот. В изученных мною источниках я не нашла четкого разграничения понятий «гипотеза», «теория» и «модель» в отношении возникновения Вселенной. Хотя лексически эти понятия и различаются, в работах исследователей часто они являются синонимами, а в некоторых работах и подменяют друг друга. Это создавало для меня большие трудности в написании работы.

Тем не менее, определимся, что, во-первых, выдвинутые гипотезы основаны на большом теоретическом материале, т.е. существуют научные основания для таких взглядов, а во-вторых, ни одна из точек зрения не может претендовать на абсолютную истину, что и позволяет назвать их и гипотезами и теориями. Поэтому в работе понятия «теория» «и гипотеза» - синонимы, и я буду их применять для обозначения точек зрения исследователей на причины возникновения и развития Вселенной.  Слово «модель» будет применяться при описании возникновения и развития Вселенной на основании соответствующих «гипотез» («теорий»).

Происхождение, устройство Вселенной, а также ее эволюция изучаются космологией. Слово «космология» происходит от греч. kosmos – вселенная и logos – закон.

Современная космология – это раздел астрономии, в котором аккумулированы данные математики, физики, астрономии и философии, в которой изучается происхождение, структура и эволюция Вселенной как единого целого. Математика дала космологии тензорное исчисление и дифференциальную геометрию многомерных пространств, физика – общую теорию относительности (ОТО) и, как считают, теорию элементарных частиц, астрономия – объективные характеристики крупномасштабной структуры Вселенной, философия – общие методы научных исследований и мировоззренческие обобщения.

То есть, космология представляет собой синтез научных и философских знаний. Именно этим определяется ее специфика. Выводы космологии почти полностью обусловлены теми философскими принципами, на которые опирается исследователь. Именно поэтому космологические модели радикально различаются между собой – в их основе лежат разные, порой конфликтующие мировоззренческие принципы. Понятно, что религиозная космология будет серьезно отличаться от космологии, построенной на материалистических мировоззренческих основаниях. В свою очередь любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т. е. изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе. Таким образом, можно сказать, что современная космология – это не только «физика», но и «философия», а иногда и «религия».

Космологические модели основаны на гипотезах, которые касаются не только процесса возникновения Вселенной, но и  постановки вопроса о ее начале и конце. 

Изучив источники, я пришла к выводу, что существует большое  количество космологических моделей  Вселенной, возникших и существовавших  в далеком прошлом, а также  появившихся в наше время. Некоторые  из них основаны на гипотезах, мало поддерживаемых учеными,  поэтому  в своей работе я не буду касаться таких моделей, а остановлюсь  только на тех, которые сегодня признаны большинством ученых.

   В своей работе я также намечу основные подходы к изучению существования внеземных цивилизаций на современном этапе.

 

Словарь научных терминов

 

1. Аргумент калама  - утверждение, что все начавшее существовать, в том числе и вселенная, должно быть вызвано к существованию какой–то причиной.
2. БВ – «большой взрыв».
3. Гипотетический – основанный на гипотезе, на предположении; предположительный, предполагаемый.
4. Гравитационная энергия - потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением.
5. Имманентный мир – понятие, обозначающее свойство, внутренне присущее предмету, процессу или явлению
6. Изотропность - одно из ключевых свойств пространства в классической механике. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений.
7. Кварки -  фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом и не наблюдающиеся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон.
8. Кинетическая энергия -   энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек.
9. Лептоны – элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии.
10. Нейтрино – уменьшительное от  нейтрон - нейтральная фундаментальная частица.
11. Нуклеосинтез – процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния).
12. Реликтовое излучение – космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности.
13. Сингулярность - единичность существа, события, явления.
14. Пк - распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояний. Происходит от слова парсе́к (русское сокращение: пк; международное сокращение: pc).
15. Тензорное исчисление - математическая теория, изучающая величины особого рода — тензоры, их свойства и правила действий над ними.
16. Энтропия – мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального
17. Эмпирический -  опытный - это процесс сбора, проверки, накопления, систематизации и классификации научных опытных фактов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Основная часть.

Космологические модели Вселенной

 

II.1. Космологическая модель Канта или классическая космологическая модель [3]

 

Вплоть до начала ХХ века, в научном мире общепринятой была теория бесконечной в пространстве и во времени, однородной и статичной  вселенной. О безграничности космоса  сделал предположение Исаак Ньютон (1642-1726), а философ Эммануил Кант (1724-1804) развил эту идею, допустив, что вселенная  не имеет начала и во времени. Он объяснял все процессы в космическом  пространстве законами механики, незадолго  до его рождения описанными Ньютоном, т.е. его модель Вселенной основана  на научно-космогонической гипотезе о естественном  механизме возникновения материального мира.

Кант распространил свои умозаключения и на область биологии, утверждая, что бесконечно древняя, бесконечно большая вселенная представляет возможность для возникновения бесконечного числа случайностей, в результате которых возможно возникновение любого биологического продукта. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира.

Наблюдения астрономов 18-19 веков за движением планет подтвердили  космологическую модель вселенной  Канта, а к концу 19 века считалась  непререкаемым авторитетом.

В 18 веке швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнения по поводу пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит, поэтому данное парадоксальное утверждение получило в астрономии название фотометрического парадокса Шезо-Ольберса.

В конце 19в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. В бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной (результат зависит от способа вычисления). Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит и сама Вселенная небесконечна. Это утверждение получило название гравитационного парадокса.

Термодинамический парадокс был сформулирован также в 19 в. Он вытекает из второго начала термодинамики- принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется закону сохранения энергии. Кажется, что из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. Если в природе материя не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а материя пребывает в постоянном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла.

Поэтому неожиданно прозвучал  вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине 19в. Кельвином и Р.Ю.Э. Клаузисом. При всех превращениях различные виды энергии, в конечном счете, переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, наступит «тепловая смерть Вселенной».

Таким образом, три космологических  парадокса заставили ученных  усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.

 

II.2. Релятивистская модель Вселенной

 

Новая модель Вселенной была создана в 1917 году А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

Объем такой Вселенной  может быть выражен, хотя и очень  большим, но конечным числом кубометров. Но конечная по объему Вселенная в  то же время безгранична, как поверхность  любой сферы. Вселенная Эйнштейна  содержит ограниченное число звезд  и звездных систем, и поэтому к  ней неприменимы фотометрический  и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность  идей, Эйнштейн в своей космологической  теории ориентировался на привычную  классическую мировоззренческую установку  на статичность мира.

 

II.3. Модель расширяющейся вселенной

 

В 1922 г. российский математик и физик А. Фридман выступил с критикой теории А. Эйнштейна. Его идеи стали началом  нестационарной релятивисткой космологии. Космологическая концепция А. Фридмана основывается на нескольких принципах.

 

1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной. Космологический постулат имеет сильный и слабый варианты. Слабый вариант предполагает независимость процессов, протекающих во Вселенной, от направления (изотропность) и места (однородность). Сильный вариант космологического принципа предполагает независимость (инвариантность преобразований) процессов не только от направления и места, но и от времени. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени. Этот принцип получил название совершенного космологического принципа.

2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи. Пространственно-временная метрика Вселенной задается гравитационными полями, признаются также искривленность пространства и замедление времени во всех частях Метагалактики. Пространственно-временная метрика описывается уравнениями общей теории относительности.

3. Принцип конечной скорости протекания любыгх физических процессов.

4. Принцип нестационарности Вселенной, поначалу основанный только на математических расчетах, согласно которым искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.

Все эти принципы дают основание  переносить данные, полученные в одной  части Вселенной, на все остальные  ее части.

Первоначально модель расширяющейся  Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий. Это было истолковано как следствие эффекта Доплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, согласно которому Вселенная – это  множество галактик, разделенных  между собой огромными расстояниями.