Контрольные работы, курсовые, дипломные, рефераты, а также подготовка докладов, чертежей, лабораторных работ, презентаций и еще много всего. Недорого и быстро.

Узнать больше...

Главная страница	Шпаргалки
Решение задач	Эксклюзивные фото по химии
Сочинения (более 4000)	Юмор из жизни учащихся
Вернуться в раздел "Учебные материалы"

Концепции современного естествознания (КСЕ)

Вселенная

Система мира - это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.

Представления о мире в Древнем Вавилоне:



Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде "Альмагест" рассматривал геоцентрическую систему мира:



Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге "Об обращении небесных сфер" гелиоцентрическую систему мира:



Что сегодня мы знаем:

Девять планет Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Земля вращается вокруг Солнца по орбите, не слишком отличающейся от круговой (с диаметром около 150 млн. км). Размеры Солнечной системы, т.е. расстояние от Солнца до орбиты девятой планеты, Плутона, составляет 6 млрд. км.

Вселенная Ньютона

Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде "Математические начала натуральной философии" (1687 г.) заложил основы классической физики:
• Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.
• Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

В основе механики Ньютона лежат три аксиомы (три закона):
1. Первый закон - закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
2. Второй закон - закон движения F = m_иa, F - вынуждающая сила, a - ускорение, m_и - инерциальная масса.
3. Третий закон - закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

В конце 17 века Ньютон установил закон всемирного тяготения: между всеми телами действуют силы притяжения - гравитационные силы.



g - гравитационная постоянная.

Две массы: инертная масса m_и и гравитационная масса m_гр. Различны ли эти массы? Сейчас доказано, что m_гр = m_и с точностью до 10^-12.

Вопрос: Луна притягивается к Земле, почему до сих пор она не упала на Землю? Почему камень падает на Землю, а не Земля на камень?

После этого Ньютон попытался описать самую большую физическую систему - Вселенную...

В конце 17 века считалось, что Вселенная - шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.



Между частицами - звездами действуют, как считал Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс.



Но если Вселенная - бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.

Бесконечная и стационарная (т.е. неизменная во времени) Вселенная существовать может, но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.

Вселенная Эйнштейна

Эйнштейн рассмотрел Вселенную, которая также была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу - силу отталкивания. Теперь Вещество во Вселенной удерживается двумя силами - притяжения и отталкивания. Вселенная может быть стационарной, но если только она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна. Как же тело может быть конечным, но не иметь границ? Возьмите сферу - площадь ее конечна, но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. Если на Земле вы, двигаясь по меридиану из любой точки, вернетесь в ту же точку, то и во Вселенной Эйнштейна, двигаясь "по прямой", вы окажетесь в исходной точке.

Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?

Что знали ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.

Но если это так, то почему ночью темно, а не светло как днем?

Действительно, рассмотрим, сколько света поступает от звезд.

Разделим Вселенную на отдельные слои.



Количество звезд N в слое: N ~ 4pr²

Но светимость Q ~ 1 / r²

Два слоя на расстоянии r₁ и r₂ от Земли.

В первом слое: N₁ и общая светимость Q₁ ~ N₁ / r₁₂, светимость второго слоя Q₂ ~ N₂ / r₂₂. Ясно, что Q₁ = Q₂

Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем - вот о чем говорит парадокс Ольберса.

Вспомним наши исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна. Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя. Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.

Американский астроном Хаббл в 1929 г. измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое "красное смещение" - наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн (красного цвета) по сравнению с их нормальными значениями.

Наблюдаемое Хабблом "красное смещение" означает, что объект удаляется от наблюдателя (хорошо известный в физике эффект Допплера - при удалении от наблюдателя белый свет источника переходит в красный, а при приближении - в синий).



Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики (Э. Хаббл, 1929)

График изменения скорости галактик (v) от их удаленности от Земли (R) описывается простым выражением v = HR

Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет 66 км/с Мпк.

Делаем вывод: существующая Вселенная не стационарна, галактики убегают от нас.

Значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной? Нет. Рассмотрим аналогию с воздушным шариком.



Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?

В начале 20-х годов российский ученый Фридман предложил модель нестационарной Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки.

Предположим, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься. Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение "тормозит" их движение). Итак, был начальный момент, когда произошел "Большой Взрыв".

Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхожения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной - 15-18 млрд лет тому назад. (А что и где взорвалось?)

Иными словами, после "взрыва" частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной - чем больше плотность, тем больше силы F_тяг. Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности Вселенной. Открытая модель соответствует r < r_кр. Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет r_кр=5х10^-30 г/см³. Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.

Изменение размера R Вселенной с течением времени t (t_c - наше время) для Вселенной с разной плотностью.

Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:

1. С течением времени изменяются расстояния между галактиками.
2. В прошлом был момент "t=0", когда радиус шара был равен нулю, а значит плотность стремится к бесконечности (момент сингулярности).
3. При t=0 произошел "Большой взрыв", в результате которого образовалась Вселенная.

Однако в последнее время появились новые астрономические данные, проливающие свет на современное состояние Вселенной и на ее будущее.

 

 

 

 

 

Copyright © 2005-2013 Xenoid v2.0

Использование материалов сайта возможно при условии указания активной ссылки
Химия: решение задач