Модели образования Вселенной
Геоцентрическая система Аристотеля - Птолемея Аристотель (384 – 322 гг до н. э. ) Мир делится на область Земли и область Неба. Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывала в центре Вселенной.
Геоцентрическая система Аристотеля - Птолемея • Главный труд Клавдия Птолемея (расцвет деятельности 127 -148 гг. , Александрия), носивший название «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» (арабское название «Альмагест» ) - энциклопедия астрономических знаний древних. • В модели Птолемея за последней сферой располагались ад и рай.
Геоцентрическая система Аристотеля - Птолемея Птолемей использовал специальные угломерные инструменты для наблюдений положений звезд и планет, среди которых была и армиллярная сфера. На фотографии современная армиллярная сфера. В наше время эта конструкция применяется как учебное наглядное пособие
Гелиоцентрическая система Галилея, Коперника, Кеплера Николай Коперник (1473– 1543)
Гелиоцентрическая система Галилея, Коперника, Кеплера Аристарх Самосский в III веке до нашей эры предложил гелиоцентрическую систему, возрожденную Н. Коперником в 1514 г. Итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564– 1642), впервые направивший на небо телескоп, сделал открытия, подтвердившие учение Коперника
Гелиоцентрическая система Галилея, Коперника, Кеплера Изобретение телескопа позволило Галилею обнаружить спутники Юпитера, фазы Венеры и убедиться, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд. Открыв солнечные пятна и наблюдая их перемещение, он совершенно правильно объяснил это вращением Солнца. Телескопы Галилея Изучение поверхности Луны показало, что она покрыта горами.
Гелиоцентрическая система Галилея, Коперника, Кеплера В 1632 г. Галилео • В 1632 г. Галилео Галилей опубликовал Галилей книгу «Диалог о опубликовал книгу приливах и отливах» , в которой убедительно «Диалог о приливах показал истинность и отливах» , в гелиоцентрической которой системы. Титульный лист «Диалогов»
Гелиоцентрическая Коперника, Кеплера система Иоганн (1571 – Галилея, Кеплер 1630 гг. ) сформулировал законы движения планет, и заложил фундамент новой теоретической астрономии и теории гравитации.
Гелиоцентрическая система Галилея, Коперника, Кеплера В России учение Коперника смело поддержал Михаил Васильевич Ломоно сов (1711– 1765). При наблюдении прохождения Венеры по диску Солнца в 1761 году открыл у нее атмосферу.
Исаак Ньютон продолжил труды Галилея и Кеплера. Он открыл закон всемирного тяготения, дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. 28 апреля 1686 г. представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию – механику земных и небесных процессов. Исаак Ньютон (1643 – 1727 гг. )
Небулярная гипотеза Канта–Лапласа • Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724– 1804 г. г. ) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, представил картину происхождения Солнечной системы с научной точки зрения. • Концепция была выдвинута французским математиком и астроном Пьер-Симон Лапласом в 1796 г. • Гипотеза Канта–Лапласа: Солнце и планеты сформировались из одной и той же туманности, а формирование Солнечной системы было сугубо механическим процессом, движимым силами всемирного тяготения.
Согласно этой гипотезе, Солнечная система образовалась из вращающегося горячего газового облака, которое сжималось под воздействием гравитации и распадалось на фрагменты. Кант Лаплас
Модели образования Вселенной • Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы). Эта туманность, медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность сжималась, скорость ее вращения увеличивалась и туманность приобрела линзовидную форму, от которой отделилась часть вещества и образовалось кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов - мелких небесных тел.
Небулярная гипотеза Канта–Лапласа
Модели образования Вселенной • В 19 веке было развито представление о Вселенной, как бесконечной в пространстве, но неизменной во времени. Это была стационарная космологическая модель. • Первая современная космологическая модель была предложена Эйнштейном в 1917 г. , как следствие общей теории относительности. • Эйнштейн предположил, что пространство и время не абсолютны, а относительны и связаны между собой.
Модели образования Вселенной • В 1922 г. российский математик А. А. Фридман показал, что из уравнений ОТО следует нестационарность, т. е. развитие Вселенной: искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. • Определение относительного перемещения галактик - эффект Доплера. • Для всех наблюдаемых галактик наблюдается «красное смещение» ЭМ излучения, из чего следует, что они удаляются от нас.
Модель расширяющейся Вселенной • Явление «красного смещения» в 1929 г. впервые наблюдал американский астроном Эдвин Хаббл, чем и подтвердил расширение Вселенной. • Согласно закону Хаббла скорость разбегания галактик V=H·r, где r – расстояние до галактики, Н – постоянная Хаббла. • Значение постоянной Н позволяет установить, как давно начали разбегаться галактики. Расчеты показали, что возраст Вселенной примерно 13. 7 млрд. лет.
1 ti = =13 , 4× 10 H 9 лет
Модель расширяющейся Вселенной
W >1 W =1 W<1
Теория «Большого взрыва» • Предложена в 1948 г. американским физиком Г. Гамовым. • В основе теории БВ лежит предположение о том, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, в момент которого все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см 3 и температурой свыше 1016 К. • Теория БВ описывает эволюцию Вселенной, начиная с 10 -35 с после ее образования. До этого момента теоретическое описание эволюции Вселенной не является завершенным.
Теория «Большого взрыва» • Г. А. Гамов родился в Одессе в семье учителя. Отец его был учителем литературы, и его учеником был Л. Д. Троцкий. • Гамов учился в Петербургском университете, где его руководителем был А. А. Фридман (1888 -1925 гг. ). К 26 годам он уже был признан одним из крупнейших специалистов в области теоретической и ядерной физики. С 1934 г. по 1968 г. работал в США над проблемами космологии, а в 1935 г он основал свою кафедру теоретической физики в Вашингтонском Университете.
Теория «Большого взрыва» • В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным бульоном из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем вещество и электромагнитное излучение (фотоны) обретали всё большую взаимную независимость, перестав непрерывно взаимодействовать друг с другом. Из протонов и нейтронов возникают сложные ядра, начиная с ядра тяжелого водорода – дейтерия. • Возникали области, где плотность материи была выше, гравитация в этих областях увеличивалась. Спустя сотни миллионов лет непрерывно расширяющееся облако раскаленных газов стало распадаться на отдельные облака, порождающие галактики и звезды.
Теория «Большого взрыва» Нобелевским лауреатом по физике в 2013 г стал британский физик-теоретик Питер Хиггс. Открытие бозонов подтверждает теорию возникновения Вселенной, выдвинутую в 1948 г. американским физиком Г. А. Гамовым - теорию Большого Взрыва.
Теория «Большого взрыва» • 4 июля 2012 года человечество получило подтверждение: таинственный бозон Хиггса – частица, которой давно уже присвоили звание «частицы бога» , – существует. • Считается, что эта загадочная частица является одной из самых распространенных и важных бозонов во Вселенной. Получается, что таинственный бозон Хиггса является как бы "творцом" всего во Вселенной. Может быть, именно поэтому нобелевский лауреат Леон Ледерман как-то раз назвал его "частицейбогом". Но в средствах массовой информации это высказывание несколько исказили, и оно стало звучать как "частица Бога" или "божественная частица".
Основной принцип стандартной космологической модели • В большом масштабе (порядка 0. 5 млрд световых лет) Вселенная является однородной и изотропной – основной космологический принцип. • Во всех частях Вселенной все явления и процессы подчиняются единым законам. • Вселенная не должна вращаться, у нее не должно быть центра и пространственной границы, Вселенная бесконечна.
Обобщенная модель эволюции Вселенной американский физик и философ Стивен Хокинг (р 1942 г. ) "Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем» . Лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим? " Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!"
Стивен Хокинг «От большого взрыва до черных дыр» Краткая история вопроса Издательство «Мир» 1990
В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2, 7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К. Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва.
… И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога. С. Хокинг
Обобщенная модель эволюции Вселенной Согласно современной теории в районе «черных дыр» нарушаются законы сохранения (прежде всего закон сохранения энергии, а, следовательно, нарушается симметрия пространства и времени. В «черных дырах» происходит отток вещества-энергии в иные пространственно-временные вселенные. Аналогично этому, в «белых дырах» (вспышки сверхновых, процессы в квазарах и ядрах крупных галактик) осуществляется приток вещества-энергии из других вселенных.
Антропный принцип Предложен Г. Идлисом в 1958 г. и Б. Картером в 1974 г. • Слабый антропный принцип – на свойства Вселенной накладывает ограничение наличие разумной жизни; • Сильный антропный принцип – свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно существовала жизнь. • Cильный вариант антропного принципа: • существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов.
Антропный принцип с точки зрения физики и философии отвергает возможность уникальности земной жизни.
Теория струн • В 21 веке появилась теория струн, дополняющая теорию Большого Взрыва. • Представим себе струну, путешествующую в плоском пространстве-времени. Струна представляет собой одномерный объект, так что если вы решите попутешествовать вдоль струны, вы сможете путешествовать только вперед или назад вдоль струны, для нее не существует других направлений типа верха или низа. Однако в пространстве сама струна вполне может двигаться как угодно, хоть и вверх или вниз, и в своем движении в пространстве-времени струна покрывает поверхность, именуемую мировым листом струны представляющую собой двумерную поверхность у которой одно измерение пространственное, а второе - временное.
Теория струн • Струна представляет собой одномерный объект, так что если вы решите попутешествовать вдоль струны, вы сможете путешествовать только вперед или назад вдоль струны, для нее не существует других направлений типа верха или низа. • Однако в пространстве сама струна вполне может двигаться как угодно, хоть и вверх или вниз, и в своем движении в пространстве-времени струна покрывает поверхность, именуемую мировым листом струны представляющую собой двумерную поверхность у которой одно измерение пространственное, а второе - временное.
Теория струн На рисунке: траектория частицы (мировая линия), струны (мировой лист) и браны (мировой объем). Под браной понимают фундаментальный физический объект (протяжённая p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). Именно браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории струн.
Теория струн • Классическая теория геометрии пространствавремени которую мы называем гравитацией, базируется на уравнении Эйнштейна, которое связывает между собой кривизну пространствавремени с распределением вещества и энергии в пространстве-времени. Но как уравнения Эйнштейна проявляются в теории струн? • Если замкнутая струна путешествует в искривленном пространстве-времени, то ее координаты в пространстве-времени "чувствуют" эту кривизну при движении струны. Для того, чтобы быть согласованной с квантовой теорией, искривленное пространство-время в этом случае должно быть решением уравнений Эйнштейна. Струнная теория не предсказывает, что уравнения Эйнштейна выполняются абсолютно точно.
Обобщенная модель эволюции Вселенной • Пока неясен характер дальнейшей эволюции Вселенной. Теория допускает два сценария: • бесконечное расширение (модель открытой Вселенной) • смена расширения сжатием, возвращение в сверхплотное и сверхгорячее состояние, после чего следует цикл нового расширения (модель пульсирующей Вселенной). • Реализация того или иного варианта зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность не превышает некоторого критического значения, то реализуется модель открытой Вселенной, в противном случае Вселенная пульсирует. Современные данные свидетельствуют в пользу модели открытой Вселенной, однако возможно, что открытие новых космических объектов изменит ситуацию.
Обобщенная модель эволюции Вселенной • Плотность светящегося вещества составляет 0. 5% критической. • Несветящееся, невидимое вещество – темная энергия или темная масса. • Швейцарский астроном Фриц Цвикки (30 -е годы ХХ века) – массы галактик недостаточно, чтобы удержать их от разлета. Если бы не было скрытого вещества, составляющего более 90% галактик, то они распались бы за несколько миллиардов лет. • Наилучшее совпадение с данными наблюдений: плотность примерно равна критической, на вакуум приходится 65%, на холодную темную материю – 30%, на барионную скрытую массу – 5%, на нейтрино и видимое вещество – по 0. 5%.
Фундаментальные константы • Во всех разделах физики приходится иметь дело с постоянными величинами, т. н. константами. • Существует ограниченный набор физических постоянных, связанных с важнейшими физическими теориями, которые называются фундаментальными константами. • Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые, электромагнитные, атомные и физико-химические. • Фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально.
Фундаментальные константы Константа Обозначение Численное значение Единицы измерения Скорость света в вакууме с 2. 998 108 Гравитационная постоянная G 6. 672 10 -11 Н м 2/кг 2 Постоянная Планка h 6. 627 10 -34 Дж с Масса электрона Заряд электрона Масса протона м/с me 9. 11 10 -31 кг e 1. 60 10 -19 Кл mp 1. 67 10 -27 кг
Фундаментальные константы • Существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. • Малые изменения фундаментальных констант на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур и образование высокоорганизованной живой матери.
ТЕСТЫ • Научная космология начала развиваться в… • ХХ веке на основе общей теории относительности • Древней Греции на основе натурфилософской картины мира Аристотеля • Эпоху Возрождения на основе гелиоцентрической системы Коперника • ХУ 11 веке на основе классической механики Ньютона
ТЕСТЫ • Представление о том, что земной наблюдатель занимает особое, выделенное положение во Вселенной, характерно для … • Укажите не менее двух вариантов ответа • картины мира Аристотеля • Птолемеевой модели мироздания • современной космологии • системы мира по Копернику
ТЕСТЫ • В пользу представления о расширяющейся Вселенной говорит … • Укажите не менее двух вариантов ответа • • 1 решение уравнений общей теории относительности, примененных ко Вселенной в целом • 2 красное смещение линий в спектрах далеких галактик, пропорциональное расстоянию до них • 3 систематическое изменение вида звездного неба, наблюдаемого астрономами, со времен античности и до наших дней • 4 увеличение радиусов планетных орбит в Солнечной системе с течением времени
Скачать презентацию Модели образования Вселенной Геоцентрическая система Аристотеля
KSE-9_-2015_Modeli_obraz_vselennpptx.pptx