Концепция эволюции
ДВЕ ПАРАДИГМЫ НЬЮТОНОВА парадигма БЫТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕГО (БЫТИЕ ПРИРОДЫ) ДАРВИНОВА парадигма ЭВОЛЮЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ВОЗНИКАЮЩЕГО (ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДЫ)
н НЬЮТОНОВА ПАРАДИГМА: ДАРВИНОВА ПАРАДИГМА: неповторимость обратимость прошлого т. е. прошлого и будущего однонаправленность эквивалентность событий «жизненного» прошлого и цикла системы будущего Симметрия t → - t «Стрела» времени ВРЕМЯ – КОНТРОЛЕР ИЗМЕНЕНИЙ ХОД ВРЕМЕНИ РЕГИСТРИРУЕТСЯ ПО ИЗМЕНЕНИЯМ В ОБЪЕКТЕ
Эволюция Вселенной и самоорганизация üЭволюция – это череда резких, скачкообразных изменений состояния объекта, разделенных периодами плавного изменения свойств и признаков объекта üСамоорганизация- лишь один из возможных сценариев эволюции. Он описывает системы вдали от равновесия в ситуации, когда есть контакт с окружением (открытые системы) ЭВОЛЮЦИЯ НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ ИМЕЛА ДРУГОЙ МЕХАНИЗМ, СВЯЗАННЫЙ С УНИВЕРСАЛЬНОЙ СИЛОЙ ГРАВИТАЦИИ
Космология • наука о строении и эволюции Вселенной
Космогония • раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие космических тел и их систем.
модель Вселенной по Ньютону • характер движения космических тел определяется тяготением • Вселенная неизменна во времени - стационарна, но неустойчива ; • Вселенная бесконечна (НЕТ ЦЕНТРА, КУДА БЫ СВАЛИЛОСЬ ВСЕ, ЧТО НАХОДИТСЯ НА ПЕРИФЕРИИ!)
После Ньютона - борьба идей • Стационарна? • Только тяготение? • Бесконечна, т. е неограниченна? • Нестационарна? • Тяготение и отталкивание? • Конечна, но неограниченна?
модель Вселенной ПО ЭЙНШТЕЙНУ Вселенная ОДНОРОДНА, изотропна (В СРЕДНЕМ) Под действием только гравитации ОНА не МОЖЕТ БЫТЬ стационарной Для стационарности кроме гравитации (притяжения) нужно отталкивание. Он ввел компенсирующий член Λ характеристику отрицательной гравитации. Эта сила отталкивания зависит только от массы m отталкивающегося тела и его координаты
Вселенная по Александру Фридману (1922) • Вселенная не стационарна • Источник изменений – только тяготение (Λ – член не нужен) • Дальнейшая эволюция зависит от средней плотности вещества "Является возможность также говорить о сотворении мира из ничего, но всё это пока должно рассматриваться как курьёзные факты, не могущие быть солидно подтверждёнными недостаточным астрономическим экспериментальным материалом. . . Если всё же начать подсчитывать для курьёза время, прошедшее от момента, когда Вселенная создавалась из точки, до теперешнего её состояния, начать определять, следовательно, время, прошедшее от создания мира, то получатся числа в десятки миллиардов наших обычных лет". (Мир как пространство и время. 1923)
Сценарии развития Вселенной
Весто Мелвин Слайфер • Первым измерил высокие лучевые скорости шаровых скоплений и спиральных туманностей; в 1913 г. получил для туманности Андромеды M 31 значение лучевой скорости, равное 300 км/с. • Одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами. • Открытие им огромных пространственных скоростей галактик явилось наблюдательной основой теории расширяющейся Вселенной, предложенной Э. Хабблом.
1927. Жорж Леметр Модель однородной изотропной Вселенной: • При расширении должно наблюдаться красное смещение в спектрах галактик, пропорциональное расстоянию до наблюдаемого объекта.
Вселенная по Эдвину Хабблу (1929) • Вселенная расширяется – она нестационарна! • Галактики разлетаются тем быстрее, чем они дальше друг от друга расстояние Постоянная Хаббла ТКАНЬ ПРОСТРАНСТВА РАСТЯГИВАЕТСЯ Возраст Вселенной лет
Вселенная по Георгию ГАМОВУ Охлаждение Вселенной и усложнение структуры • ЮНАЯ Вселенная БЫЛА ОЧЕНЬ ГОРЯЧЕЙ И ИСПУСКАЛА ИЗЛУЧЕНИЕ • ПО МЕРЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ ИЗЛУЧЕНИЕ БЫСТРО ОХЛАЖДАЛОСЬ
Открытие реликтового излучения (Арно Пензиас, Роберт Уилстон. 1965)
Картина РАННЕЙ Вселенной ( 3 минуты от роду) Флуктуации микроволнового реликтового излучения Т = 2, 725 К, δТ/Т≈10 --5 Если пренебречь очень малыми флуктуациями, микроволновое реликтовое излучение изотропно Т = 2, 725 К ОДНОРОДНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ – СВИДЕТЕЛЬСТВО ОДНОРОДНОСТИ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ - некое исходное ГАЗОПОДОБНОЕ СОСТОЯНИЕ. !
Модель пульсирующей Вселенной ? ? ?
Стивен Хокинг Фундаментальные работы и научно-популярные книги по космологии Математическая модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной Теория черных дыр Род. в 1942 г. в день 300 -летия Галилея в Лондоне, Великобритания
Стандартная модель и поле Хиггса «Пустое» пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей. Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого. Дети окружают тележку с мороженым и замедляют ее движение. В результате она приобретает массу.
Алан Гут. 1981. Инфляционная теория • Ранняя стадия Большого Взрыва – расширение самоотталкивающегося вещества – инфлантона. • При инфляции пространство удваивает размер каждые 10 -37 сек. В конце инфляции (через 10 -35 сек после начала) энергия инфлатона возрастает в 1090 раз. • Инфляционное расширение закончилось распадом инфлантона и его превращением в вещество и излучение типичные для нашей современной Вселенной. • «Планковский кусочек» инфлатона (размер 10 -35 м и масса 10 -5 г) может произвести всю материю и излучение Вселенной. Процесс распада сопровождался выделением огромных энергий • Быстрое расширение далеко разнесло исходно близкие области с одинаковой температурой, поэтому на больших масштабах Вселенная однородна.
Если Вселенная в больших масштабах однородна, то откуда взялись мелкомасштабные неоднородности как «зародыши» звезд и галактик?
Здесь проявились флуктуации квантовых состояний – инфляция растянула неустранимую «квантовую рябь» , создавая одновременно и флуктуации температуры. Изотропия и флуктуации микроволнового реликтового излучения Т = 2, 725 К, δТ/Т≈10 --5 К
1998. С. Перлмуттер, А. Рисс, Б. Шмидт Ускоренно расширяющаяся Вселенная • • • Дальние сверхновые разбегаются ускоренно Λ – член снова нужен Антигравитация есть Она доминирует уже миллиарды лет Она порождается «темной» энергией Чем больше расстояние между объектами, тем сильнее отталкивание и больше скорость расширения
парадигма эволюции 1. 2. 3. 4. 5. Течение событий от прошлого к будущему (стрела времени). Система приобретает определенную структуру и усложняется, ее энтропия падает ΔS ≤ 0 Это возможно при самоорганизации (в открытых диссипативных структурах) Аналогичный ход изменения энтропии возможен также под действием сильной гравитации Однако при этом нет противоречия со II началом термодинамики
Основные идеи и принципы современной релятивистской космологии 1. Целостность Вселенной как объекта развития 2. Эволюционный характер развития
3. Изотропность и однородность в масштабах 150 - 200 Мпк Распределение галактик с учетом холодной темной материи (компьютерная модель)
4. Нестационарность
5. Искривленность пространства, связанная с распределением тяготеющих масс и плотностью вещества
6. Конечное значение объема Вселенной
7. Открытая бесконечно расширяющаяся Вселенная На больших масштабах пространство нашей Вселенной – плоское
8. Первоначальная сингулярность • стандартная модель сверхвысокие плотность материи, температура и давление ( «горячая» Вселенная и «Большой взрыв» Г. Гамова)
9. Нарушение симметрии как причина формирования новых структур • Гигантская флуктуация первоначального вакуума как причина нарушения симметрии (инфляционная модель) • Вся крупномасштабная структура сформировалась из-за первичных флуктуаций в ранней Вселенной (доли секунды после начала расширения)
10. Наличие «скрытой» массы и «темной» энергии Темная материя Не светится. Участвует в гравитационном Темная энергия взаимодействии. Распространена в Способна собираться в сгустки, пространстве равномерно. образуя подобия галактик. Порождает «антигравитацию» , Состоит из еще не открытых т. е. не притяжение, а «частиц» , родившихся в отталкивание. ранней Вселенной. Гипотезы: Слабо взаимодействует с видимым Физический вакуум – источник веществом. огромной энергии. «Частицы» этой материи «Квинтэссенция» - новое предположительно тяжелее сверхслабое поле. протона в 100 – 1000 раз. Около нас таких «частиц» порядка 1000 в 1 м 3.
Состав Вселенной
5% - Вещество- (барионы, лептоны) 3 % - Нейтрино и ЭМИ (фотоны) – видимая и изученная часть Вселенной! 25%- Темная материя (особые несветящиеся суперсимметричные частицы) 67 % - Темная энергия (материя с отрицательным давлением)
Химический состав Вселенной • данные спектрального анализа
От Большого взрыва до наших дней Начало отсчета времени 1 сек Big Bang II III 3 часа 3∙ 105 IV V Современность 13, 5 млрд. лет VI I ЭМ И кварки глюоны нейтроны протоны электроны фотоны Н Не атомы фотоны галактики звезды планеты VII жизнь 4, 5 млрд. лет
1. Космологический этап - 13, 7 млрд. лет назад «начало» - Большой взрыв q 10 - 43 сек. после взрыва: фотоны и плазма элементарных частиц (кварки, нуклоны, e -, e +) q 4∙ 10 5 лет после взрыва : атомарное вещество: H, D, He и разделение вещества и ЭМИ
2. Галактический этап: • 10 9 лет после взрыва. Нарушение равновесия между веществом и ЭМИ. Гравитационная неустойчивость и образование галактик, а также скоплений малых и крупных галактик.
Галактики – стационарные гравитационно-связанные звездные системы: • Эллиптические (шаровые) – триллионы звезд • Спиральные – миллионы и миллиарды звезд • Неправильные – десятки и сотни звезд • Квазары – вероятно, ядра новых галактик.
Схема классификации галактик (по Э. Хабблу).
Структура спиральных галактик
Гипотезы возникновения галактик в центре гигантского газово-пылевого облака образуется черная дыра, на периферии - отдельные звезды.
3. Звездный этап: 3∙ 109 лет после взрыва : сжатие фрагментов вещества галактик → поколения звезд. I поколение: из H, D, He, немного Li. II поколение: из всех элементов до Fe. Сверхновые: из тяжелых элементов Межзвездная среда – молекулы, включая биоорганические.
Этапы образования и эволюции звезд при разных массах Возмущение газопылевого облака: • взрыв соседней сверхновой, • столкновение с другим облаком, • влияние ближайшей «черной дыры» Сжатие облака под действием возрастающего гравитационного притяжения и начало его вращения (если такового не было) Постепенный разогрев сжимающейся и вращающейся массы.
Распад глобулы на несколько колец - протозвезд нескольких звезд кратной звездной системы или протозвезду и ее будущую планетную систему Начало термоядерных реакций в ядре звезды при разогреве в 10 милн. ºС Горение водорода Стадия желтой звезды: образование гелиевого ядра, постепенное уменьшение массы и силы гравитации Стадия Красного гиганта: отслоение и удаление водородной оболочки Дальнейшая эволюция зависит от массы.
Диаграмма Герцшпрунга – Рессела • Распределение звезд по спектрам и светимостям, отражающее модель эволюции звезды в зависимости от ее массы
Эволюция звезд
4. Гелиологический этап: 9, 1 ∙ 109 лет после взрыва. Из единого протосолнечного облака → одновременно образуются Солнце и протопланеты.
Положение Солнца в нашей Галактике Солнечная система: • является частью спиральной галактики • находится на 70 световых лет севернее плоскости симметрии галактического диска • расположена на расстоянии около 27 000 световых лет от галактического центра (полпути от центра Галактики к её краю), на окраине рукава Ориона • вращается вокруг галактического центра по почти круговой орбите со скоростью около 220 км/c • совершает оборот за галактический год - 226 млн. лет. • совершает вертикальные колебания относительно галактической плоскости, пересекая её каждые 30— 35 миллионов лет и меняя галактическое полушарие.
• Солнце движется со скоростью около 25 км/с сквозь Местное межзвёздное облако и может покинуть его в течение следующих 10 тысяч лет. • Большую роль во взаимодействии Солнечной системы с межзвёздным веществом играет солнечный ветер.
Формирование Солнечной системы было вызвано взрывами одной или нескольких сверхновых звёзд. В веществе Солнечной системы содержатся слишком много золота и урана. Эти элементы могли быть результатом: • эндотермических реакций, вызванных взрывом сверхновой звезды; • ядерного превращения элементов путём поглощения нейтронов веществом массивной звезды второго поколения.
• Возраст Солнца – 4, 59 млрд. лет • Возможная время существования – 10 млрд. лет • По мере того, как водородное топливо будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться. • Примерно через 7, 8 миллиарда лет, когда температура в ядре достигнет 100 миллионов градусов, в нём начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия.
• Температурные неустойчивости внутри Солнца приведут к потери массы. • Расширяющиеся слои достигнут современной орбиты Земли. • Солнце пройдёт фазу красного гиганта. • Температурные колебания приведут к срыву внешней оболочки • Из сорванной оболочки образуется планетарная туманность. • В центре туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик. • В течение многих миллиардов лет она будет постепенно остывать и угасать.
Границы Солнечной системы до 1 св. года 40 а. е. 230 а. е. 85 -95 а. е.
Происхождение Солнечной системы
Основные особенности Солнечной системы, подлежащие объяснению Объекты Солнечной системы совершают согласованные движения и вращение. Почти все тела вращаются по орбитам и вокруг своей оси в одном и том же направлении и практически в одной плоскости. Ось вращения Солнца совпадает со средней плоскостью вращения всех планет. • Распределение расстояний от Солнца до планет носит закономерный характер. (Правило Тициуса. Боде) • Распределение массы и момента импульса является неравномерным: 99, 8% массы сосредоточено в Солнце, 97% момента импульса приходится на планеты.
Катастрофические теории Планетная система рождается позже центральной звезды в результате катастрофического и случайного взаимодействия с другими космическими объектами. • 1766. Ж. Л. Л. Бюффон: Столкновение Солнца с кометой привело к выбросу солнечного вещества, из которого и образовались все планеты. • 1916. Д. Х. Джинс: Гравитационное взаимодействие Солнца с проходящей близкой звездой привело к образованию приливных горбов, которые, оторвавшись, образовали планеты. • 19… О. Ю. Шмидт: Солнце случайно прошло сквозь постороннюю газо-пылевую туманность, из которой и образовались в дальнейшем планеты.
Небулярные (эволюционные) теории: Солнце образуется одновременно с другими телами системы. 1755. И. Кант: • Первичный Хаос (огромная холодная пылевая туманность) под действием силы собственной тяжести начала сжиматься. Частицы первичного хаоса сталкивались, слипались, разогревались и начинали вращаться. В итоге образовалась вся известная Вселенная: горячее Солнце, холодные планеты, другие звезды и их планеты. 1795. П. С. Лаплас • Уже вращающаяся первичная газовая горячая туманность в процессе сжатия принимает форму диска, состоящего из центрального сгустка и отдельных планетных колец. В ходе дальнейшего вращения и сжатия образуется Солнечная система: центральная звезда и планеты вокруг.
Проблемы гипотезы Канта-Лапласа • Отслаивающиеся от диска планетные кольца должны были рассеяться в космическом пространстве, а не объединяться в планеты. • Скорость вращения Солнца, на основе этой гипотезы, должна быть непомерно высокой (один оборот за 2 часа!!! против почти месяца в реальности). • Масса отслаивающихся колец и образующихся из них планет должна быть почти в сотни раз больше.
Современные представления об образовании Солнечной системы • Холодная газо-пылевая туманность (98% газа и 2% пыли) испытывает внешнее воздействие: сталкивается с другой туманностью или попадает в поле действия соседних взрывающихся сверхновых звезд. • Это воздействие выводит туманность из равновесного состояния и придает ей вращательное движение. • Вращающаяся туманность начинает сжиматься.
• Сжатие происходит под действием двух сил – силы притяжения и центробежной силы. • Действие результирующей этих сил приводит к одновременному сплющиванию туманности и увеличению плотности и массы её центральной части. • Пылевая часть туманности сжимается сильнее, чем газовая. • Малая доля газа образует облако вокруг вращающегося диска со сферическим уплотнением в центре, состоящим из большей части газа и пыли изначальной туманности.
• В процессе сжатия происходит сильный разогрев центральной части, который приводит к образованию протозвезды и свечению. • Протозвезда продолжает сжиматься и разогреваться. При температуре в несколько миллионов градусов начинаются термоядерные реакции. Протозвезда превращается в звезду. • Большая часть газового облака вокруг диска постепенно рассеивается в космическое пространство.
• Пылевые и газовые частицы диска объединяются в планетезимали. • Планетезимали, продолжая вращаться вокруг Солнца, сталкиваются и слипаются, образуя несколько планет.
5. Геологическая СВ 9, 4 ∙ 10 9 лет после взрыва - образование Земли как планеты, - движение литосферных плит, - развитие Земного рельефа
Возраст • V век до нашей эры. Геродот. Скорость прироста дельты Нила несоизмерима с человеческими представлениями о времени. • XVII век. Расчеты возраста Земли от момента сотворения на основе библейских текстов. Джеймс Ашер на основе текстов Библии, древних исторических документов и календарей, данных о затмениях определил дату сотворения Земли: 9 часов утра 26 октября 4004 г. до н. э. • XIX век. Возраст Земли примерно равен возрасту Солнца.
Геологи и биологи • 1. Дж. Геттон показал, что образование толщ песчаников и других осадочных пород требует огромного времени. Время осадконакопления превышает миллионы лет. • 2. По расчетам Ч. Р. Дарвина, анализ этих же процессов на территории Англии (отложение осадков и размывание суши) дает результат не менее 500 тысяч лет. • 3. По оценке Ч. Р. Дарвина, процесс естественного отбора также требовал интервалов времени в несколько сотен миллионов лет.
Физики Горение угля и других калорийных видов топлива давали возраст Солнца 1, 5 – 10 тысяч лет. По расчетам Кельвина: • энергии метеоритов, падающих на Солнце, хватило бы на 300 тысяч лет. (Идея Дж. Уотерсона) • медленное сжатие Солнца (сжатие-разогревсвечение) увеличивало возраст Солнца и Земли до 20 – 100 млн. лет. • Считая, что солнечная система образовалась из горячего облака, время остывания Земли до современных температур – 25 млн. лет.
Эволюция Земли (гипотеза) • Первоначально внешний слой Земли представлял собой расплавленную массу. • Обезгаживание и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. • Когда в атмосфере стала накапливаться вода, поверхность планеты начала остывать и отвердевать. • Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённым кометами, привела к образованию океанов. • Около 4 млрд. лет назад интенсивные химические реакции привели к возникновению самовоспроизводящихся молекул
• В течение следующих полумиллиарда лет появился «последний универсальный общий предок» . • Развитие фотосинтеза позволило живым организмам напрямую накапливать солнечную энергию. • В атмосфере накапливается кислород, а в верхних ее слоях формируется озоновый слой. • Организмы всё больше приспосабливались к окружающим условиям. • Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излучения озоновым слоем, жизнь смогла начать освоение поверхности Земли.
• Поверхность планеты постоянно изменялась, континенты появлялись и разрушались. • Континенты перемещались по поверхности, порой собираясь в суперконтинент. • Приблизительно 3, 5 млрд. лет назад самый ранний из известных суперконтинентов — Ваальбара - стал раскалываться на части. • Последний из суперконтинентов — Пангея - распался 180 млн. лет назад.
Распад Пангеи
• Гипотеза Snowball Earth (1960): в период между 750 и 580 млн. лет назад Земля была полностью покрыта льдом. • Эта гипотеза объясняет кембрийский взрыв - резкое ускоренное распространение многоклеточных форм жизни. • В период 535 - 65 млн. лет назад было пять массовых вымираний. Последнее массовое вымирание - 65 млн. лет назад. Гипотеза: падение метеорита привело к исчезновению динозавров (не птиц) и других крупных рептилий, но обошло мелких зверей, (млекопитающих, которые напоминали землероек). • Последний ледниковый период начался примерно 40 млн. лет назад, его пик приходится на Плейстоцен около 3 млн. лет назад.
• Продолжительные и значительные изменения средней температуры земной поверхности могут быть связаны с периодом обращения в 200 млн. лет Солнечной системы вокруг центра Галактики. • Существуют меньшие по амплитуде и длительности циклы похолодания и потепления. • Эти циклы происходят каждые 40— 100 тысяч лет. Теория Джеймса Лавлока: циклы имеют автоколебательный характер, вызваны действием обратных связей от реакции всей биосферы как целого, стремящейся обеспечить стабилизацию климата Земли. • Последний цикл оледенения в Северном полушарии закончился около 10 тысяч лет назад.
Контракционная гипотеза Эли де Бомона (1829 – 1852) • гипотеза контракции — объяснение процессов горообразования и образования складчатости земной коры уменьшением объёма Земли при её охлаждении. • аналогия с печёным яблоком, которое за счёт усыхания покрывается множеством морщин. • Стала основой теоретической геологии начала XX века
Альфред Вегенер. 1912 Теория дрейфа материков За: Против: • Совпадения очертания • Нет геофизических и материков геодезических данных • Палеонтологические данные • Нет ясной причины (силы) движения • Биогеографические материков данные
• Вялотекущая борьба фиксистов, как назвали сторонников отсутствия значительных горизонтальных перемещений, и мобилистов, утверждавших, что континенты всё-таки двигаются, с новой силой разгорелась в 1960 -х годах
Р. Диц и Г. Хесс. (1962— 1963) Гипотеза спрединга • Согласно этой гипотезе, в мантии происходит конвекция со скоростью около 1 см/год. • Восходящие ветви конвекционных ячеек выносят под срединно-океаническими хребтами мантийный материал, который обновляет океаническое дно в осевой части хребта каждые 300— 400 лет. • Континенты не плывут по океанической коре, а перемещаются по мантии, будучи пассивно «впаяны» в литосферные плиты. • Согласно концепции спрединга, океанические бассейны структуры непостоянные, неустойчивые, континенты же — устойчивые.
Строение Земли
Тектонические плиты (8 крупных)
Типы взаимного перемещения плит • конвергенция (сближение) • дивергенция (расхождение) • сдвиговые перемещения по трансформным разломам На разломах между тектоническими плитами могут происходить: • землетрясения • вулканическая активность • горообразование • образование океанских впадин.
• Из анализа перемещений континентов было сделано эмпирическое наблюдение, что континенты каждые 400— 600 млн лет собираются в огромный материк, содержащий в себе почти всю континентальную кору — суперконтинент. • Современные континенты образовались 200 — 150 млн лет назад, в результате раскола суперконтинента Пангеи. • Сейчас континенты находятся на этапе почти максимального разъединения. • Атлантический океан расширяется, Тихий океан закрывается. • Индостан движется на север и сминает Евразийскую плиту. Ресурс этого движения уже почти исчерпан. • В скором геологическом времени в Индийском океане возникнет новая зона субдукции, в которой океаническая кора Индийского океана будет поглощаться под Индийский континент.
Химический состав атмосферы
Скачать презентацию Концепция эволюции ДВЕ ПАРАДИГМЫ НЬЮТОНОВА парадигма БЫТИЯ
Шестая(1).ppt