Устройство Вселенной

Устройство Вселенной

Микро-, макро-, мегамиры

В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за ориентир пространственно-временной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями.

Микромир:

это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов

пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10-16 см до 10-6 см

микромир целиком стал областью интересов квантовой физики

основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки)

Макромир:

это мир, непосредственно окружающих человека, объектов

пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10-5 см до 104 км

основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д.

изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания

Мегамир:

основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная

изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией

пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 104 км до 1023 км

в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба.

Единицы измерений расстояний в мегамире:

астрономическая единица (а.е.) - расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы

межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах:

б) парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3·1013 км

Звезда

самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце

основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий)

В начале нынешнего века голландский астроном Э. Герцшпрунг (1873 - 1967) и американский астроном Т. Рессел (1877 - 1957) независимо друг от друга обнаружили, что существует связь между спектрами звезд и их светимостями.

Рассматривая главную последовательность, можно заметить, что, чем горячее относящиеся к ней звезды, тем большую светимость они имеют. Обособленно от главной последовательности в разных частях диаграммы сгруппированы гиганты, сверхгиганты и белые карлики.

Диаграмма «спектр - светимость» показывает, что звезды данного спектрального класса не могут иметь произвольную светимость и, наоборот, звезды с определенной светимостью не могут иметь любую температуру диаграмма «спектр - светимость» отражает важную закономерность в мире звезд, основываясь на которой астрономы исследуют эволюцию звезд.

Эволюция звезды зависит от ее массы и размеров. Обычно масса звезды сравнивается с массой Солнца (масса Солнца  21030 кг).

. Внутри звезды происходят термоядерные реакции, радиоактивные элементы постепенно расходуются в этих реакциях. Газы, которые образуются при ядерных реакциях, раздувают оболочку звезды. Температура оболочки звезды уменьшается, и она приобретает красный цвет (Красный гигант).

По мере увеличения оболочки Красный гигант может превратиться в планетарную туманность, в центре которой находится небольшая звезда (Белый карлик) с излучением белого света.

Далее оболочка отделяется от звезды и образуется туманность.

Если туманность поглотит другую звезду или туманность и ее масса окажется равной массе Солнца, то цикл повторится.

. Если туманность поглотит за счет притяжения другой объект и ее масса будет больше массы Солнца, то образуется Красный сверхгигант.

В результате взрыва Красного сверхгиганта возникает сверхновая звезда.

Из сверхновой звезды, в зависимости от ее массы, может образоваться либо черная дыра, либо нейтронная звезда (если масса звезды больше 2,5 МС, МС - масса Солнца).

Атрибуты планет:

небесные тела, обращающиеся вокруг звезд

светятся отраженным светом от звезд

достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными

достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Солнечная система - планетная система, включающая в себя центральную звезду - Солнце - и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё.

Большая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединенных планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска - плоскости эклиптики. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.

 <#"564356.files/image002.gif"> (электронное нейтрино).

Поскольку в эту эпоху существуют ядра и электроны, следовательно начинается образование атомов (Т = 107 К). Эта эпоха длится 10 с.

. 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.

. 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.

Последовательность стадий эволюции Вселенной

инфляционное расширение - рождение вещества - формирование звезд первого поколения - образование элементов тяжелее гелия.

Антропный принцип - устанавливает зависимость человека, как сложной системы и космического существа, от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных - постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов - ядер, атомов и т.д. Например, если уменьшить массу протона на 30 % , то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атома водорода, а тем самым отсутствовала бы сама жизнь.

Согласно антропному принципу: факт существования во Вселенной сложно устроенного наблюдателя (человека разумного) накладывает сильные ограничения на параметры.

Антропный принцип применяется в слабом и сильном вариантах:

слабый антропный принцип: фундаментальные константы таковы, какими их видит наблюдатель. Т.е. на свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

сильный антропный принцип : свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Т.е. значения фундаментальных констант находятся в таких пределах, чтобы существовал наблюдатель.

Согласно космологическим моделям:

образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд.

Резюмируем некоторые положения:

модель расширяющейся Вселенной подтверждается открытием Хабблом пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них

модель Большого Взрыва подтверждается обнаружением реликтового излучения (т.е. микроволнового фонового излучения)

оба вышеприведенных наблюдательных факта свидетельствуют и в пользу конечного возраста Вселенной

сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, в модели Фридмана зависит только от средней плотности материи во Вселенной

в последние годы 20 века и начала 21 века экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением

наиболее общепринятой моделью Вселенной в современной космологии является модель однородной, изотропной горячей нестационарно расширяющейся Вселенной

современная космология строит модели Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна

согласно модели Большого Взрыва: все вещество Вселенной в начальный момент было сосредоточено в небольшом объеме (бескончно малом) с бесконечно высокой плотностью. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью.

Проблемы космологии

) Проблема сингулярности

Сингулярность - особая область пространства, размеры которой составляют 1035 м (Планковская длина - 10-35 м), кроме того, так называется состояние Вселенной через 10-43 с после Большого взрыва, когда материя имела бесконечно большие плотность и температуру.

) Определение массы во Вселенной.

Массу Вселенной очень трудно определить, так как в ней много пыли, газа, неизвестных объектов, имеются нейтрино () в большом количестве.

Нейтрино не имеет массы покоя, и следовательно не должна изменить массу Вселенной. Но по другим предположениям, масса нейтрино приблизительно составляет 0,001me (массы электрона).

Если нейтрино имеет массу, то масса Вселенной сразу возрастает вдвое.

) Проблема темной материи.

Во Вселенной много мест, о которых ученым ничего неизвестно (темная материя). Поскольку неизвестна масса вещества во Вселенной, то неизвестна и плотность вещества в ней. В то же время будущее Вселенной находится в зависимости от плотности вещества во Вселенной. Если (G  H2) < 0, то она будет бесконечно расширяться, если (G  H2) > 0, то сжиматься.

Кривизна пространства

. Геометрия Римана (искривленная), треугольник на шаре, сумма углов в треугольнике больше 180 .

. Геометрия Лобачевского (искривленная), треугольник на седловине, сумма углов в треугольнике меньше 180 .

Геометрии Римана и Лобачевского имели огромное значение для развития теории относительности. В частности, математик Герман Минковский применил неэвклидовы геометрии для объяснения теории относительности. Эйнштейн предположил в общей теории относительности, что кривизну пространства можно объяснить наличием гравитационного поля, или поля тяготения. Он предложил использовать неинерциальные системы отсчета в качестве инерциальных, в которых имеется поле тяготения.

Таким образом, гравитационное поле, по предположению Эйнштейна, является причиной искривления пространства.

От чего будет зависеть гравитационное поле и кривизна пространства? На этот вопрос можно ответить, рассматривая закон всемирного тяготения.

 сила гравитационного притяжения.

Поскольку масса (m) зависит от плотности вещества и объема тела (, где  - плотность вещества; V - объем тела), то в конечном счете сила гравитационного притяжения зависит от плотностей веществ взаимодействующих тел. Кроме того, сила гравитационного притяжения (величина гравитационного поля) зависит от расстояния (r) между телами, и следовательно будет изменяться при движении тел. Поэтому мы можем сказать, что гравитационное поле и кривизна пространства зависят от плотности вещества и его движения.

В пределах нашей солнечной системы и даже за ее пределами пространство может считаться эвклидовым. Однако во Вселенной существуют объекты, вблизи которых пространство является существенно искривленным. К таким объектам относятся массивные тела, например Солнце, звезды, черные дыры и др.

Оказалось, что и развитие таких объектов, как сама Вселенная, зависит от плотности материи в ней.