ПЛАН

1. Происхождение Вселенной

2. Модель расширяющейся Вселенной

3. Эволюция и строение галактик

4. Астрономия и космонавтика

Происхождение Вселенной

Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произо­шел мир. Когда в культуре господствовали мифологические пред­ставления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ве­дах» распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая ми­фологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифо­логическим и религиозным приходят научные представления о проис­хождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане проти­вопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое.

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специ­фически научное звучание. Вселенная - место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение науч­ного значения термина Вселенная вполне понятно, так как естество­знание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпи­рически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас кос­мосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «поря­док», «гармония», в противоположность «хаосу» - «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск зако­нов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-пер­вых, формулируемые физикой универсальные законы функциони­рования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называе­мый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из ос­новных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспери­ментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экс­периментов делают заключение о наличии закона, которому подчи­няется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае ре­зультат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной это методологическое правило остается непри­менимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь мо­делями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Модель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивист­ской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 го­ду. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Все­ленной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитацион­ного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так на­зываемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - ре­лятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационар­ность. Это определяется двумя постулатами теории относительнос­ти: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерцион­ных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с ка­кими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтверж­денным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расши­ряться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение - это понижение частот электромагнит­ного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, восприни­маемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соот­ветственно увеличивается. При излучении происходит «покрасне­ние», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных крас­ных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вы­вод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными разме­рами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по мень­шей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна прост­ранства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной явля­ется представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то при­мерно 12 -18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенно­го центра и затем распространяется, захватывая все больше и боль­ше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Все­ленной.-М., 1981.-С. 30).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингуляр­ная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Все­ленная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформу­лированы законы сохранения материи и энергии, религиозные фи­лософы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначаль­ный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ни­чего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, кото­рый физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противо­речит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состо­яние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) - вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной на­учной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет опреде­ленного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдае­мое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных час­тиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, про­являющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «воз­бужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решаю­щим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло про­изойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают рели­гиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически под­тверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относитель­ности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время со­хранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограни­ченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна поло­жительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относи­тельности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тог­да, когда не было ничего, и что находится за пределами расшире­ния. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натур­философскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, по­тому что в естествознании в конечном счете критерием истины яв­ляются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и на­чал расширяться все больше и больше под действием взрывной вол­ны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной по­явилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образова­лись все остальные химические элементы?

Эволюция и строение галактик

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают - зна­чит - это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, что­бы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существо­вания энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономи­ческие наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик яв­ляются фабриками по производству основного строительного мате­риала Вселенной - водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и од­ного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичи­ком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных ре­акций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совер­шенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звез­ды производят углерод - главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз заду­маться над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной - это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и ко­смогония (греч. «гонейа» означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую кос­могонию).

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сфе­рическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик - миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры -100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галак­тики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 све­товых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галак­тики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бе­жит 2 млн. лет) - «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектраль­ного анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звез­ды и в других туманностях.

А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоис­точники) - самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размера­ми в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс обра­зования галактик продолжается и поныне.

Астрономия и космонавтика

Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» - звезда и «номос» - закон) - наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX веке свою вторую моло­дость в связи с бурным развитием техники наблюдений - основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССР в 1974 году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м., собираю­щий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астро­номия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофи­зику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явле­ния, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит экспе­римент, астрофизика основывается главным образом на наблюдени­ях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследова­ния приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физиче­ские процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Один из основных методов астрофизики - спектральный ана­лиз. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому - не­прерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наи­менее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолето­вый - наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения - ультрафиоле­товые, рентгеновские и гамма-лучи - не проходят сквозь атмосфе­ру Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая - космонавтика (от греч. «наутике» - искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с исполь­зованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических поле­тов - расчеты траекторий и т. д.; научно-технические - конструи­рование космических ракет, двигателей, бортовых систем управле­ния, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируе­мых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические - создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация небла­гоприятных явлений в человеческом организме, связанных с пере­грузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циол­ковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуще­ствлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, пер­вый полет человека в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспеди­ция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние го­ды наметилось объединение усилий в области исследования косми­ческого пространства. В 1995 году осуществлен совместный проект «Мир» - «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» ис­пользовались для доставки космонавтов на российскую орбиталь­ную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способству­ет существенному прогрессу в области астрофизики.

Список литературы

1. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

2. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

3. Краткий миг торжества. М., 1989.

«Освоение космоса» доклад для детей Вы можете использовать при подготовке к уроку.

«Изучение космоса» доклад

Еще в древности, люди, наблюдая за небом, использовали различные измерительные приборы, которые позволяли определять положение тел на небе.

Но изобретение телескопа помогло людям изучать космос. С помощью телескопов люди смогли открыть множество небесных тел. Это различные планеты, звезды, черные дыры, карлики, туманности, квазары, кометы и тому подобное.

Сегодня во многих странах мира есть огромные обсерватории, где ученые проводят исследования космоса.
В пятидесятых годах прошлого века в космос были запущены искусственные спутники Земли, 1961 году впервые в космосе побывал человек. Им стал советский космонавт Юрий Гагарин. В 1969 году американские космонавты высадились на Луне.

Телескопы, выведенные на орбиту Земли, позволяют заглянуть в далекие уголки Вселенной.

Среди самых известных телескопов, который совершил множество открытий и приоткрыл завесу дальнего космоса стал телескоп «Хаббл». Телескоп установлен на орбиту в 1990 году. Первые планеты за пределами нашей родной Солнечной системы астрономы начали находить спустя два года с момента его запуска.

Сейчас с помощью автоматических космических аппаратов ученые проводят исследования космоса, такие аппараты осуществляют полеты к планетам Солнечной системы.

Космические аппараты, которые предназначены для осуществления работ в дальнем космосе, отправляются туда безвозвратно. Зачастую их полет длится годами, и в этот период они передают различную информацию на Землю, которую получили при полете.

Число аппаратов, отправленных в дальний космос, совсем мало. В качестве примера можно назвать космический аппарат Voyager-1 и Voyager-2, которые запустили в 1977 году. У обоих аппаратов имеется энергия и топливо для работы практически до 2020-2025 года. Вояджер-1 за это время удалится от Солнца примерно на 19 миллиардов км, а Вояджер-2 – почти на 15 миллиардов км. Спустя -6-10 лет связь с аппаратами практически наверняка прекратится, они станут мертвыми грудами металла.

РАЗДЕЛ II

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ (МЕГАМИР)

Глава 1

ВСЕЛЕННАЯ

Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции. Вселенная – это непростая совокупность небесных тел, в ней постоянно происходят сложные физические процессы. Этим изучение Вселенной представляет большой интерес для современного естествознания. В космосе можно изучать такие состояния и изменения материи, которые недостижимы на Земле. Космология основывается на физике, математике и философии. Часть Вселенной, охваченной астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой. Радиус космического горизонта составляет 15 – 20 млрд. световых лет.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами (звезды) и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа (газо – пылевых туманностей).

Все пространство Вселенной представляет собой физический вакуум, вмещающий весь материальный мир и определяющий его существование на основе взаимодействия полей: слабого, сильного, гравитационного и электромагнитного. Именно они управляют движением и эволюцией материального мира, являются источниками энергии, движения, рождения и смерти объектов материального мира.

Пространство пронизано движением и существованием различных физических полей, которые определяют сущность существования материи. Во Вселенной не ничего, кроме пространства и времени, восклицали наши предки. Во Вселенной нет ничего, кроме физического вакуума, полей и материи, объединенных движением, говорит современная физика.

Исследование Вселенной

Звезды изучает астрономия (от греч. «astron» - звезда и «nomos» - закон) – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Основным методом астрономических исследований являются наблюдения. В результате наблюдений ученые получают свыше 90 % информации о космических процессах, явлениях и объектах. Огромные расстояния обусловливают единственно возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации излучений. При этом следует учитывать, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который шел в источнике излучений несколько лет или десятков и даже сотен лет назад.

В настоящее время ученые научились фиксировать следующие типы излучений:

- свет – излучение в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека, длина волны около 10 -7 м;

- инфракрасное излучение с длиной волны от 10 -6 м до 1 см;

- микроволновое излучение (от 1 см до 1 м);

- радиоволны (от 1 м и более);

- ультрафиолетовое излучение;

- рентгеновское излучение;

- гамма – излучение;

- космические лучи .

В зависимости от характера исследуемого излучения астрономию стали подразделять на оптическую и радиоастрономию, инфракрасную, ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма – астрономию . Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Первая особенность астрономических наблюдений состоит в том, что наблюдения пассивны и иногда требуют очень длительных сроков. Мы не можем активно влиять на небесные тела и проводить эксперименты с ними. Лишь космонавтика дала в этом отношении некоторые возможности. Вторая особенность астрономических исследований состоит в том, что мы наблюдаем положение небесных тел и их движения с Земли, которая сама находится в сложном движении. Вид неба для земного наблюдателя зависит и от того, в каком месте Земли он находится, и в какое время он наблюдает. Например, когда у нас зимний день, в южной Америке летняя ночь, и наоборот.

Третья особенность астрономических наблюдений состоит в том, что при наблюдениях во многих случаях мы производим угловые измерения и ниже из них делаем выводы о линейных расстояниях и размерах тел, Все светила так далеки от нас, что ни на глаз, ни в телескоп нельзя решить, какое из них ближе, какое дальше. Все они кажутся одинаково далекими. Мы говорим, что на небе две звезды близки друг к другу, если близки друг к другу направления, по которым мы их видим.

Единицы измерений в астрономии

Поскольку в природе ничто не может двигаться быстрее скорости света, мы можем утверждать, что размеры Вселенной не превосходят 2 С∙Т, где С – скорость света, а Т – возраст Вселенной. Следовательно, верхнюю границу размеров Вселенной мы можем оценить, как 2∙ 3∙ 10 8 ∙15 ∙10 9 ∙365 ∙24 ∙60 ∙60 = 5,2 ∙10 26 м. Эта цифра настолько большая, что ее трудно осознать. Для астрономических измерений метр не очень подходящая мера длины.

В астрономии удобнее расстояния измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за астрономический год, мы можем рассчитать это расстояние в метрах: 1 световой год = 3·10 8 ∙ 365 ∙24 ∙60 ∙60 = 9,46 ∙10 15 м.

Еще одной удобной для астрономии единицей является величина, называемая парсек. За счет движения Земли вокруг Солнца звезда, наблюдаемая с Земли, в разные времена видна под различными углами. Видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя называется параллаксом. Различают параллакс, обусловленный вращением Земли (суточный параллакс), обращением Земли вокруг Солнца (годичный параллакс) и движением Солнечной системы в Галактике (вековой параллакс). Парсек – (сокр. от параллакс и секунда) – астрономическая единица измерения звездных расстояний, равная 3,26 световых лет. Самым дальним объектом, открытым на сегодняшний день, является квазар на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас. Если учесть, что радиус Вселенной не более чем 15 млрд. световых лет, то не так уж много осталось, чтобы увидеть саму границу.

В Солнечной системе основной единицей измерения служит астрономическая единица. Это среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за 150 млн. км.

Изучение космоса началось еще с самых древних времен, когда человек только учился считать по звездам, выделяя созвездия. И только всего четыреста лет назад, после изобретения телескопа, астрономия начала стремительно развиваться принося в науку все новые открытия.

XVII век стал переходным веком для астрономии, тогда начали применять научный метод в исследовании космоса, благодаря которому был открыт Млечный путь, другие звездные скопления и туманности. А с созданием спектроскопа, который способен разложить через призму свет, излучаемый небесным объектом, ученые научились измерять данные небесных тел, такие, как температура, химический состав, масса и другие измерения.

Начиная с конца XIX века астрономия вступила в фазу многочисленных открытий и достижений, главным прорывом науки в XX веке стало запуск первого спутника в космос, первый полет человека в космос, выход в открытое космическое пространство, высадка на луне и космические миссии к планетам Солнечной системы. Изобретения сверхмощных квантовых компьютеров в XIX веке также обещают многие новые изучения, как уже известных планет и звезд, так и открытия новых далеких уголков вселенной.

Изучение вселенной 2

Образование Вселенной 3

Эволюция Вселенной 4

Галактики и структура Вселенной 4

Классификация галактик 5

Структура Вселенной. 7

Заключение 9

Введение

Многие религии, такие как, Еврейская, Христианская и Исламская, считали, что Вселенная создалась Богом и довольно недавно. Например, епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной, прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского создания не так далека от даты конца последнего Ледникового периода, когда появился первый современный человек.

С другой стороны, некоторые люди, например, греческий философ Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей предпочли верить в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то есть вечно и бесконечно. А в 1781 философ Иммануил Кант написал необычную и очень неясную работу «Критика Чистого Разума». В ней он привел одинаково правильные доводы, что Вселенная имела начало, и что его не было. Никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых столетиях, не считал, что Вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн оба пропустили шанс предсказания, что Вселенная могла бы или сокращаться, или расширяться.

Изучение вселенной

Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания. Кант попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях, начиная с планетной системы и кончая миром туманности.

Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся математик и физик – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод, исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.

Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находиться в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Образование Вселенной

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация.

По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.

Однако стоит отметить и еще одну теорию (принцип).

Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году Иглис Г.И. , но он является как бы неофициальным его автором. А официальным автором был ученый по фамилии Картер.

Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается, что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно интересной теории шансы на жизнь.

Эволюция Вселенной

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Галактики и структура Вселенной

Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов нашего века, когда была надежно установлена их действительная природа. И оказалось, что это не туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие на очень больших расстояниях от нас. Открытия и исследования в области космологии прояснили в последние десятилетия многое из того, что касается предыстории галактик и звезд, физического состояния разряженного вещества, из которого они формировались в очень далекие времена. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея - идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремится создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: «блинов» - протоскоплений.

Распад слоев протоскоплений на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы - галактики. Протогалактики, у которые обладали быстрым вращением превращались, в Спиральные галактики, у которых же вращение было медленное или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной - возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие пчелиных сот.

Классификация галактик

Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду. И нужно сказать, что хотя в последствии другими исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по-прежнему остаётся основой классификации галактик.

В 20-30 гг. XX века Хаббл разработал основы структурной классификации галактик - гигантских звездных систем, согласно которой различают три класса галактик.

Спиральные галактики

Спиральные галактики «spiral» - характерны двумя сравнительно яркими ветвями, расположенными по спирали. Ветви выходят либо из яркого ядра (обозначаются - S), либо из концов светлой перемычки, пересекающей ядро (обозначаются - SB).

Спиральные галактики являются, может быть, даже самыми живописными объектами во Вселенной. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии. Однако известны примеры большего, чем двух числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравны - одна значительно более развита, чем вторая. В спиральных галактиках поглощающее свет пылевое вещество имеется в большем количестве. Оно составляет от нескольких тысячных до сотой доли полной их массы. Вследствие концентрации пылевого вещества к экваториальной плоскости, оно образует темную полосу у галактик, повернутых к нам ребром и имеющих вид веретена.

Представитель - галактика М82 в созвездии Б. Медведицы, не имеет четких очертаний, и состоит в основном из горячих голубых звезд и разогретых ими газовых облаков. М82 находится от нас на расстоянии 6.5 миллионов световых лет. Возможно, около миллиона лет тому назад в центральной ее части произошел мощный взрыв, в результате которого она приобрела сегодняшнюю форму.

Эллиптические галактики

Эллиптические галактики «elliptical»(обозначаются - Е) - имеющие форму эллипсоидов. Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Космической пыли в них, как правило, нет, чем они отличаются от спиральных галактик, в которых поглощающее свет пылевое вещество имеется в большом количестве. Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой – большим или меньшим сжатием.

Представитель - кольцевая туманность в созвездии Лиры находится на расстоянии 2100 световых лет от нас и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Эта оболочка образовалась, когда состарившаяся звезда сбросила газовые покровы, и они устремились в пространство. Звезда сжалась и перешла в состояние, по массе сравнимого с Солнцем, а по размеру с Землей.

Иррегулярные галактики

Иррегулярные (неправильные) «irregular» (обозначаются - I) - обладающие неправильными формами. Перечисленные до сих пор типы галактик характеризовались симметричностью форм определенным характером рисунка. Но встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо закономерности структурного строения.

Неправильная форма у галактики может быть, вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По-видимому, эти оба случая встречаются среди неправильных галактик, и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа.

Неправильные галактики подтипа I I , характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках этого подтипа, например, Магеллановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

Неправильные галактики подтипа обозначаемого I II , отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик подтипа I II расположенных сравнительно близко.

Представители иррегулярных галактик - Большое Магелланово Облако. Находится на расстоянии 165000 световых лет и, таким образом, является ближайшей к нам галактикой сравнительно небольшого размера, рядом с ней расположена галактика поменьше - Малое Магелланово Облако. Обе они - спутники нашей галактики.

Последующие наблюдения показали, что описанная классификация недостаточна, чтобы систематизировать все многообразие форм и свойств галактик. Так, были обнаружены галактики, занимающие в некотором смысле промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками (обозначаются - So). Эти галактики имеют огромное центральное сгущение и окружающий его плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют.

Структура Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра, а точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в галактике порядка 10 12 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система.

Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1’’; 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*10 13 км.) или 100000 световых лет, но четкой границы у нее нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2*10 11 масс Солнца (масса Солнца равна 2*10 30 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. В 1944 г. В.В. Кукарин нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды.

Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Заключение

Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчетов.

В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно считать и понимать под «моментом рождения» тела или системы, то, для установления возраста применяют два параметра:

время, в течение которого система уже находится в наблюдаемом состоянии

полное время жизни данной системы от момента её появления

Очевидно, что вторая характеристика может быть получена только на основе теоретических расчетов. Обычно первую из высказанных величин называют возрастом, а вторую – временем жизни.

Факт взаимного удаления галактик, составляющих метагалактики свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной.

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала последнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Контрольная работа по курсу «Концепции современного естествознания» ___________________________________________________________________________________

П Л А Н: Размеры и расстояния Виды галактик Эллиптические галактики Спиральные галактики Неправильные галактики Иглообразные галактики Радиогалактики

Министерство Образования Российской Федерации Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства Северный филиал.

Министерство образования Российской Федерации Московский государственный открытый университет Кафедра Менеджмента и экономической политики Контрольная работа

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, ско­рее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, бу­дут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы уви­дите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от на...

Министерство образования и науки Украины Общеобразовательная школа I–III ступеней № 83 г. Донецка Реферат по дисциплине: «Астрономия» на тему: «Другие звездные системы - галактики»

Министерство высшего и среднего специального образования республики Узбекистан Ташкентский государственный Технический Университет имени Абу Райхана Беруни

Звёздное небо над головой долго время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звёзды на самом деле движутся, причём с огромными скоростями. В ХХ веке человечество свыклось с ещё более странным фактом: расстояния между галактиками постоя...

(Реферат для 8 класса) Туманности - это небесные объекты, которые в отличие от звезд выглядят как пятна. Наиболее яркие из них видны невооруженным глазом (туманность Андромеда и туманность Ориона). В 1774 году, француз Мессье, занимавшийся, впрочем, исследованием комет, которые по внешнему виду нап...

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ПО РЫБОЛОВСТВУ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Доклад ученицы 11 "Б" ср. школы № 1257 Масоловой Елены. Типы Галактик. Наша Галактика - Млечный Путь. МНОГООБРАЗИЕ ГАЛАКТИК етагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований - содержит несколько миллиардов галактик - звездных систем, в которых зв...

Введение. Идея эволюции всей Вселенной представляется вполне естественной и даже необходимой сегодня. Однако так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла сложный путь борьбы и становления, пока не восторжествовала в науке. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, вс...

План: Космологические модели Вселенной. Строение Вселенной: Структура Вселенной. Тёмная сторона Вселенной. Эволюция Вселенной: Стандартная модель эволюции Вселенной.

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ Звёздное небо над головой долгое время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что “неподвижные” звёзды на самом деле движутся, причём с огромными ско­ростями. В XX в. человечество свык­лось с ещё более странным факто...

Наука, которая изучает вселенную как единое целое, называется космологией. Большинство существующих космологических теорий опирается на теорию тяготения, физику элементарных частиц, общую теорию относительности и другие фундаментальные физические теории и, конечно, на астрономические наблюдения.

Т А Й Н Ы К В А З А Р О В ВВЕДЕНИЕ Мерцай, мерцай, квазизвезда! Ты далека иль ты близка? В истории астрономии, древнейшей из наук, не было времени, столь богатого самыми выдающимися открытиями, ...

Возникновение жизни во Вселенной. Несколько поколений ученый рассматривали астрономическую картину мира, в основе которой лежат не только данные астрономических наблюдений, теории и гипотизы, но и важнейшие понятия и законы современной физики.

Реферат на тему: Введение. Для людей далекого прошлого Вселенная была, если и не всегда безопасным, но и все же устойчивым миром, созданным, казалось бы, единственно для удобства рода человеческого. Едва ли человек тогда сомневался, что его обитель - Земля - занимает главенствующее, центральное...

1. Введение. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Рассмотрим подробнее, что же такое материя, а так же ее структурные уровни.

П В П Ш № 2 “ Реферат по астрономии ” Тема: “ Изучение Галактик ” Работу выполнила: Насретдинова Елена Принял преподаватель: Евтодиев И.Г.