Страница для титульного листа!!!
Содержание
Введение 3
Основная часть 4
1. Космология как наука 4
2. Состав Вселенной 5
3. Исторические модели Вселенной 7
4. Космологическая модель Эйнштейна – Фридмана 8
5. Эффект Доплера 9
6. Модель большого взрыва 11
Заключение 14
Список литературы 15
Введение
«Концепции современного естествознания» – один из новых предметов в системе высшего образования. Чтобы понять, какова же основная задача данного предмета, необходимо понять, что же обозначает термин «естествознание». Естествознание – раздел науки, изучающий мир в его естественном состоянии, без влияния человека. Результатами научных исследований являются законы, модели и гипотезы, то есть концепции.
К современному естествознанию относятся концепции, появившиеся в XX в. Не только самые свежие научные данные можно считать современными, а все те, на которых основывается современная наука. Она состоит не из отдельных, мало связанных между собой теорий, а представляет собой единое целое, включающее знания, ставшие достоянием человека в разное время его истории.
Основная часть
1. Космология как наука
Космология это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий. Данное определение космологии берет в качестве предмета этой науки только Метагалактику. Это связано с тем, что все данные, которыми располагает современная наука, относятся только к конечной системе - Метагалактике, и ученые не уверены, что при простой экстраполяции свойств этой Метагалактики на всю Вселенную будут получены истинные результаты.
При этом суждения о свойствах всей Вселенной являются необходимой составной частью космологии. Космология сегодня является фундаментальной наукой. И она больше, чем какая-либо другая фундаментальная наука, связана с различными философскими концепциями, по-разному понимающими устройство мира.
Космология берет свое начало в представлениях древних, в частности, в древнегреческой мифологии, где очень подробно рассказывается о сотворении мира и его устройстве.
Основателем научной космологии считается Николай Коперник, который поместил Солнце в центр Вселенной и низвел Землю до положения рядовой планеты Солнечной системы. Конечно, он был весьма далек от правильного понимания устройства мира. Так, по его убеждению, за орбитами пяти
известных в то время планет располагалась сфера неподвижных - звезд. Звезды на этой сфере считались равноудаленными от Солнца, а природа их была неясной.
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной, т. е. возможными вариантами объяснения. Именно моделями, потому что нет возможности провести многочисленные эксперименты над изучаемым объектом. А только при условии проведения большого количества опытов результат считается достоверным с точки зрения науки.
2. Состав Вселенной
По новым сведениям, Вселенная на 22% состоит из "темной материи" и на 74% - из "темной энергии", и только 4% приходятся на обычное вещество (рис.1).
Рис.1 Состав Вселенной
Наблюдения показывают, что галактики, подобно звёздам, объединяются в группы и скопления различной численности. Имеются некоторые основания предполагать, что существует и система боле высокого порядка, объединяющая галактики и их скопления. Эта система автономна и является объединением галактик примерно такого порядка, каким для звезд нашей системы является Галактика.
Большая часть наблюдаемых галактик входит в группы и скопления галактик. Местная система галактик, в которую входит и наша Галактика, является примером очень распространённого типа образований – групп галактик. Средняя плотность числа галактик в Местной системе составляет около 160 галактик на 1 кубический мегапарсек, что значительно больше средней плотности галактик в Метагалактике (ок. 0,05 галактики на 1 куб. мегапарсек.).
Группы галактик, в которые входит от десятка до нескольких десятков членов, очень распространены в Метагалактике, но на больших расстояниях они плохо различимы, т. к. гигантских галактик в группе обычно немного, а карликовые галактики уже не видны.
Скопления галактик – более крупные образования, чем группы галактик. В них насчитывается от сотен до десятков тысяч членов. Скопления галактик являются местами значительного уплотнения материи в пространстве. Скопления галактик разделяются на два типа – правильные и неправильные. Правильные скопления галактик имеют сферическую форму. Плотность сосредоточения галактик в правильных скоплениях высокая и возрастает к центру скопления. В центральной части правильного скопления галактик в Пегасе плотность доходит до 2000 галактик на 1 куб. мегапарсек. Галактики в центре скопления в Пегасе почти соприкасаются друг с другом и плотность их сосредоточения в 40000 раз выше, чем средняя плотность в Метагалактике. Неправильные скопления галактик намного менее плотны, чем правильные, у них нет ясной формы, слабо выражена концентрация галактик в некоторой точке. Эти скопления могут быть весьма обширны по размерам.
3. Исторические модели Вселенной
Особое место исследований Вселенной в истории человечества обусловлено помимо их практической значимости этическими, эстетическими, религиозными соображениями. Недаром с древних времен астрономия была достоянием жрецов, хранителей тайного знания, она и по сей день, занимает центральное место в храме науки. В современной астрономии названия многих планет Солнечной системы, неподвижных звезд и целых созвездий взяты из античной мифологии.
В историческом аспекте первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой располагалась неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. в III в. до н. э. предложил гелеоцентричекую систему, возрожденную польским священником Н. Коперником в 1514г. Сюда же можно отнести и античную систему Птолемея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. Кстати «модернизацией» этой модели занимались и Кеплер (1571-1630) (вместо эллиптических орбит круговые) и Г. Галилей. Всё это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII веке. Уже в это время возникли представления о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель, которая, по сути, была близка статистической Вселенной Эйнштейна.
Предполагалось, что пространство – абсолютно, однородно и изотропно, а время – абсолютно и однородно. Это устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном, так и во временном понимании, т. е. Бог создал. С материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии – это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время и не участвовали в процессах, т. е. рассматривались как параметры. При этом, если неизменность пространства и времени вызывала некоторый дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм).
4. Космологическая модель Эйнштейна – Фридмана
Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. В качестве следствия его формулировки общей теории относительности. Эйнштейн показал, что общая теория относительности однозначно объясняет возможность существования статистической Вселенной, которая не изменяется со временем. Сейчас всем известно, что этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердило это.
Однако уже в 1922 г. А. Фридман показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, то есть развитие Вселенной. Обосновывая в 1917 г. Общую теорию относительности А. Эйнштейн ввел понятие космологического члена λ (постоянной) как раз для обоснования статичности его модели Вселенной.
А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана. Через какое-то время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. По смещению световых лучей можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде – это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя.
5. Эффект Доплера
Так как современная космология возникла после общей теории относительности, её называют релятивистской. Эмпирической базой для неё послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас - то к красному. При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдается красное смещение. Из этого следует, что они от нас удаляются. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик – больше для более удаленных галактик (что само по себе удивительно, и до сих пор причина этого не выяснена).
Американский астроном Э. Хаббл (1889 - 1953) установил в 1929 г. Закон:
V=Hr,
где V- лучевая скорость, r - расстояние до объекта, H- постоянная Хаббла,. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H можно определить возраст Вселенной (t~1/H), , который оценивается в 40 – 20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.
Рис.2 Графическая иллюстрация закона Ньютона - Хаббла
Особенности развития космологии нашли отражения в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере её моделей.
Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться, в статистическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о её расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит её сжатие. Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть её свойства не зависят от направления. Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной. Вселенная расширяется. Так как расширение, по-видимому, происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной явно выделить нельзя.
6. Модель большого взрыва
Теория Большого Взрыва смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.
В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Плотностью свыше 
г/
и температурой свыше 
К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва была предложена в1948 г. .
Обращаясь к сгустку перед Большим Взрывом, отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому её расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактика, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.
также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос – Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом, теория БВ согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.
Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~1 атом/, однако имеются сильные флуктуации, а именно случайные отклонения системы от равновесия. Эти флуктуации объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.
Заключение
Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели.
Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.
Главный же итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса ее расширения. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.
Список литературы
1. http://www. fmx. ru/astronomiya/kosmologicheskie_modeli_vselennoj. html
2. http://www. berl. ru/article/kletka/minim/covremennye_kocmologi4eckie_modeli_vcelennoi. htm
3. Горбачев Современного Естествознания: Учебник для вузов./ . - М.: Оникс, Мир и Образование, 2003.
4. Рузавин Современного Естествознания: Учебное пособие./ . – М.: Гардарики, 2005.
5. Горелов Современного Естествознания: Учебное пособие./ . – М.: Астрель, 2003.
