Развитие представлений о Вселенной Автор – Шиганова А.И. педагог ОСШ 2. — презентация

ВСЕЛЕ́ННАЯ, весь на­блю­дае­мый ма­те­ри­аль­ный мир, вклю­чаю­щий в се­бя все кос­мич. сис­те­мы со всем их ве­ще­ст­вом и энер­ги­ей, со все­ми про­ис­хо­дя­щи­ми в них яв­ле­ния­ми, а так­же его тео­ре­ти­че­ски до­пус­кае­мое про­дол­же­ние. В., ис­сле­дуе­мая ас­тро­но­мич. сред­ст­ва­ми, – это лишь часть ма­те­ри­аль­но­го ми­ра, дос­туп­ная изу­че­нию на дан­ном эта­пе раз­ви­тия нау­ки; ино­гда эту часть В. на­зы­ва­ют Ме­та­га­лак­ти­кой. Зна­ния, по­лу­чен­ные при изу­че­нии Ме­та­га­лак­ти­ки, экс­т­ра­по­ли­ру­ют­ся на ещё не ох­ва­чен­ные на­блю­де­ния­ми и ис­сле­до­ва­ния­ми об­лас­ти ми­ра, вна­ча­ле обыч­но лишь пред­по­ла­гае­мые. В. со­дер­жит раз­но­об­раз­ные ти­пы объ­ек­тов, раз­ли­чаю­щих­ся раз­ме­ра­ми и мас­сой, – от эле­мен­тар­ных час­тиц, ато­мов и мо­ле­кул до пла­нет, звёзд, га­лак­тик, ско­п­ле­ний га­лак­тик и за­пол­няю­ще­го про­стран­ст­во ме­ж­ду ни­ми дис­перс­но­го ве­ще­ст­ва (га­за, пы­ли), а так­же фи­зич. по­ля. Кро­ме из­вест­ных ви­дов ма­те­рии во Все­лен­ной, весь­ма ве­ро­ят­но, при­сут­ст­ву­ют ве­ще­ст­ва и по­ля не­изв. фи­зич. при­ро­ды, про­яв­ляю­щие се­бя пу­тём гра­ви­та­ци­он­но­го взаи­мо­дей­ст­вия с на­блю­дае­мы­ми объ­ек­та­ми. Раз­дел фи­зи­ки и ас­тро­но­мии, за­ни­маю­щий­ся изу­че­ни­ем В. как це­ло­го, на­зы­ва­ет­ся кос­мо­ло­ги­ей. В. – наи­бо­лее ши­ро­кое обоб­щаю­щее по­ня­тие, сис­те­ма­ти­зи­рую­щее ас­тро­но­мич. све­де­ния об ок­ру­жаю­щем ми­ре.

Развитие представлений о Вселенной

На ран­них эта­пах ис­то­рии ци­ви­ли­за­ции «го­ри­зонт В.» на­хо­дил­ся на рас­стоя­нии все­го по­ряд­ка со­тен ки­ло­мет­ров. К нач. 21 в. В. ис­сле­ду­ет­ся уже до рас­стоя­ний бо­лее 10 млрд. све­то­вых лет. В ис­то­рич. ас­пек­те по­ня­тие «В.» кон­цен­три­ру­ет в се­бе ас­тро­но­мич., фи­зич., фи­лос. пред­став­ле­ния ци­ви­ли­за­ции. По­это­му по­ня­тие «В.» яв­ля­ет­ся со­ци­аль­но-гео­гра­фи­че­ски и ис­то­ри­че­ски развиваю­щим­ся в со­от­вет­ст­вии с уров­нем ци­ви­ли­за­ции, осо­бен­но с её ас­тро­но­мич. по­зна­ния­ми и пред­став­ле­ния­ми. С вы­хо­дом ци­ви­ли­за­ции с ре­гио­наль­но­го на гло­баль­ный уро­вень и раз­ви­ти­ем нау­ки Но­во­го вре­ме­ни пред­став­ле­ния о В. всё в боль­шей ме­ре ста­ли ос­но­вы­вать­ся на дос­ти­же­ни­ях ас­тро­но­мии и фун­да­мен­таль­ной фи­зи­ки.

В раз­ви­тии наи­бо­лее об­щих пред­став­ле­ний о В. мож­но вы­де­лить сле­дую­щие эта­пы (они не все­гда под­да­ют­ся чёт­кой да­ти­ров­ке в разл. ре­гио­нах).

То­по­цен­три­че­ская В. дои­сто­ри­че­ско­го или ран­не­го ис­то­ри­че­ско­го эта­па раз­ви­тия че­ло­ве­че­ст­ва поя­ви­лась у изо­ли­ро­ван­ных пле­мён и ло­каль­но су­ще­ст­вую­щих ци­ви­ли­за­ций, субъ­ек­тив­но ощу­щаю­щих ме­сто сво­его оби­та­ния цен­тром В. (та­кие пред­став­ле­ния о В. со­хра­ни­лись до на­ших дней в не­ко­то­рых пле­ме­нах, напр., Но­вой Гви­неи). В наи­бо­лее раз­ви­тых ва­ри­ан­тах та­ких мо­де­лей В. пред­став­ля­лась, как пра­ви­ло, до­ста­точ­но про­тя­жён­ной (в Древ­ней Ин­дии да­же бес­ко­неч­ной) пло­ской Зем­лёй, на­кры­той ку­по­лом не­ба (Древний Ки­тай, Древ­ний Еги­пет, ци­ви­ли­за­ции Сре­ди­зем­но­мо­рья, Ви­зан­тии и др.).

Гео­цен­три­че­ские мо­де­ли В. по­яви­лись в ран­ней ан­тич­но­сти. Сре­ди ар­гу­мен­тов в их поль­зу, в ча­ст­но­сти в обос­но­ва­ние сфе­рич­но­сти Зем­ли, бы­ли и со­вер­шен­но кор­рект­ные с точ­ки зре­ния совр. нау­ки. Напр., Пи­фа­гор (6 в. до н. э.) от­ме­чал круг­лую тень Зем­ли на Лу­не во вре­мя лун­ных за­тме­ний.

Ло­ги­че­ски по­сле­до­ва­тель­ная гео­цен­трич. мо­дель В. по­строе­на в 4 в. до н. э. Ари­сто­те­лем (вслед за Ев­док­сом Книд­ским). Боль­шой объ­ём на­блю­да­тель­ных све­де­ний о В. по­лу­чен Гип­пар­хом (2 в. до н. э.). Гео­цен­три­че­ская сис­те­ма ми­ра, по­зво­ляю­щая до­ста­точ­но точ­но опи­сы­вать дви­же­ния не­бес­ных тел, раз­ра­бо­та­на К. Пто­ле­ме­ем (2 в.). Пто­ле­мее­ва сис­те­ма ми­ра бы­ла в 12 в. ка­но­ни­зи­ро­ва­на ка­то­лич. цер­ко­вью, что на­дол­го за­дер­жа­ло раз­ви­тие пред­став­ле­ний о Все­лен­ной.

Гео­цен­трич. кар­ти­ну ми­ра сме­ни­ла ге­лио­цен­три­че­ская мо­дель В. – кар­ти­на об­шир­ной, но ко­неч­ной В. с цен­тром, в ко­то­ром на­хо­дит­ся Солн­це. Пер­вые идеи о по­доб­ной сис­те­ме со­дер­жа­лись ещё в тру­дах Ари­стар­ха Са­мос­ско­го (3 в. до н. э.). Но впер­вые на­уч­но обос­но­ван­ная ге­лио­цен­три­че­ская сис­те­ма ми­ра раз­ра­бо­та­на Н. Ко­пер­ни­ком в сер. 16 в. Сис­те­ма Ко­пер­ни­ка со­дер­жа­ла пред­став­ле­ния о строе­нии В. как о Сол­неч­ной сис­те­ме – Солн­це с пла­нета­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми в пра­виль­ном по­ряд­ке, с дос­та­точ­но вер­ны­ми от­но­си­тель­ны­ми рас­стоя­ния­ми – и очень уда­лён­ной сфе­ре звёзд. Ра­ди­каль­но уточ­нил дви­же­ния пла­нет в ге­лио­цен­трич. сис­те­ме Ко­пер­ни­ка И. Ке­п­лер в нач. 17 в., вве­дя за­ко­ны дви­же­ния пла­нет (Ке­п­ле­ра за­ко­ны).

В кон. 16 в. Дж. Бру­но, опи­ра­ясь на идеи Ни­ко­лая Ку­зан­ско­го, воз­ро­дил древ­нюю идею Лев­кип­па, Де­мок­ри­та и др. о бес­ко­неч­но­сти В., её ацен­трич­но­сти и о мно­же­ст­вен­но­сти оби­тае­мых ми­ров. Та­ким бес­пре­дель­ным ми­ром звёзд (солнц), их пла­нет­ных сис­тем и ко­мет ста­ла бес­ко­неч­ная Все­лен­ная И. Нью­то­на (1660-е гг.), в ос­но­ву ко­то­рой бы­ла по­ло­же­на его идея тя­го­те­ния. На 200 лет Все­лен­ная Нью­то­на ока­за­лась стерж­невым эле­мен­том на­уч. кар­ти­ны ми­ра. Эво­лю­ци­он­но-фи­зич. со­дер­жа­ние в мир Нью­то­на вно­си­ли ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­ли, фи­ло­со­фы и ас­тро­но­мы. Так, И. Кант (сер. 18 в.) ввёл пред­став­ле­ние об эво­лю­ции В., У. Гер­шель (кон. 18 в.) «раз­дви­нул» го­ри­зон­ты В. за пре­де­лы Сол­неч­ной сис­те­мы, от­крыв звёзд­ную сис­те­му – Га­лак­ти­ку. Солн­це вхо­дит в неё лишь как од­на из со­тен мил­ли­ар­дов звёзд. По су­ще­ст­ву, Гер­шель «рас­ши­рил» В. и даль­ше, пред­ста­вив Га­лак­ти­ку как один из мно­же­ст­ва эле­мен­тов («пла­стов») круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Все­лен­ной.

Во 2-й пол. 19 в. Л. Больц­ман пред­ло­жил идею флук­туа­ций как вы­ход из тер­мо­ди­на­мич. па­ра­док­са – «те­п­ло­вой смер­ти» Все­лен­ной. Идея Больц­ма­на о ве­ду­щей ро­ли во В. флук­туа­ций не ис­чер­па­ла се­бя до на­стоя­ще­го вре­ме­ни. Так, в совр. кос­мо­ло­гии на­блю­да­ет­ся тен­ден­ция вос­при­ни­мать В. (по­доб­ные на­шей Ме­та­га­лак­ти­ке и да­же бо­лее круп­но­мас­штаб­ные) как ги­гант­ские флук­туа­ции ва­куу­ма фи­зи­че­ско­го. Не­об­хо­ди­мость пре­одо­ле­ния др. кос­мо­ло­ги­че­ских па­ра­док­сов – фо­то­мет­ри­че­ско­го и гра­ви­та­ци­он­но­го – спо­соб­ст­во­ва­ла даль­ней­ше­му со­вер­шен­ст­во­ва­нию об­щей кар­ти­ны Все­лен­ной.

Но­вый этап в раз­ви­тии на­уч. пред­став­ле­ний о В. на­чал­ся с по­строе­ния А. Эйн­штей­ном об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти (ОТО; 1916–17). При­ло­же­ние ОТО к кос­мо­ло­гии при­ве­ло к пред­став­ле­нию о бес­ко­неч­ной во вре­ме­ни, ста­ти­че­ской, без­гра­нич­ной, но, бла­го­да­ря кри­виз­не и замк­ну­то­сти про­стран­ст­ва, ко­неч­ной мо­де­ли В. В 1922 А. А. Фрид­ман тео­рети­че­ски от­крыл не­ста­цио­нар­ность В. в це­лом. В сер. 1920-х гг. Э. Хаббл от­крыл мир га­лак­тик, а в кон. 1920-х гг. – рас­ши­ре­ние В. Эти от­кры­тия да­ли ос­но­ва­ние для вве­де­ния по­ня­тия «Все­лен­ная Хабб­ла» как рас­ши­ряю­ще­го­ся ми­ра га­лак­тик – Ме­та­га­лак­ти­ки, «на­шей Все­лен­ной».

Важ­ным эта­пом в раз­ви­тии пред­став­ле­ний о В. ста­ло по­строе­ние в кос­мо­логии ин­фля­ци­он­ной мо­де­ли Все­лен­ной (1980-е гг., А. Гут, А. Д. Лин­де), а за­тем тео­рии сто­хас­ти­че­ской ин­фля­ции (Лин­де). С по­зи­ций по­след­ней тео­рии В. бес­ко­неч­на в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, а на­ша рас­ши­ряю­щая­ся Ме­та­га­лак­ти­ка – лишь од­на из не­во­об­ра­зи­мо­го мно­же­ст­ва В. Они об­ла­да­ют разл. про­стран­ст­вен­ны­ми и вре­мен­ны́­ми раз­мер­но­стя­ми, в них дей­ст­ву­ют др. фи­зич. за­ко­ны из-за раз­ли­чия зна­че­ний фун­да­мен­таль­ных фи­зи­че­ских кон­стант. На во­прос, по­че­му в на­шей В. фи­зич. за­коны и фун­да­мен­таль­ные по­сто­ян­ные имен­но та­кие, как есть, а не иные, один из воз­мож­ных от­ве­тов да­ёт ан­троп­ный прин­цип. Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся мо­де­ли мак­си­маль­но не­од­но­род­ной В., по­стро­ен­ной на прин­ци­пе «чем даль­ше от на­шей В., тем бо­лее от­лич­ны фи­зич. за­ко­ны, дей­ст­вую­щие во Все­лен­ной».

Что такое реликтовое излучение?

Диапазон его частот – от 500 МГц до 500 Ггц. Длина наибольшей волны – 60 сантиметров, а наименьшей – 0,6 миллиметров. Имея такие параметры, реликтовое излучение – оно же микроволновый внегалактический фон – несет в себе огромное количество информации о том, как проходила эволюция Вселенной до того, как начали образовываться галактики и квазары, а также многие другие объекты.

Как показало изучение изотропии, источником излучения не является ни некие точки, ни центр галактик, ни какое-либо место в Солнечной Системе, из чего был сделан вывод, что оно имеет внегалактическое происхождение. Этот факт, к слову, подтвердил гипотезу «горячей Вселенной», что позволяет развивать теорию об эволюции, как она и была принята, далее.

Современные представления о Вселенной

Воз­раст «на­шей В.» (рас­ши­ряю­щей­ся Ме­та­га­лак­ти­ки) со­став­ля­ет ок. 14 млрд. лет. Плот­ность её (по­ряд­ка 10–29 г/см3) близ­ка к кри­ти­че­ской (см. Кри­ти­че­ская плот­ность Все­лен­ной), что со­от­вет­ст­ву­ет плос­ко­му про­стран­ст­ву-вре­ме­ни. Ком­по­нен­ты плот­но­сти (%): звёз­ды ок. 0,5; ба­рио­ны (в осн. меж­га­лак­ти­че­ский газ) ок. 4; не­ба­ри­он­ная скры­тая мас­са («тём­ная ма­те­рия») ок. 22; ней­три­но ок. 0,3; ан­ти­гра­ви­ти­рую­щий ва­ку­ум («тём­ная энер­гия») ок. 74.

Не­смот­ря на ма­лую до­лю за­клю­чён­ной в нём мас­сы, ба­ри­он­ное ве­ще­ст­во яв­ля­ет­ся наи­бо­лее за­мет­ным во В. Из не­го со­сто­ят звёз­ды и меж­звёзд­ная сре­да – газ и пыль, час­тич­но объ­е­ди­нён­ные в пла­не­ты. Хи­мич. эво­лю­ция ве­ще­ст­ва в совр. В., а так­же осн. про­цес­сы энер­го­вы­де­ле­ния в ней свя­за­ны со звёз­да­ми и их эво­лю­ци­ей. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции в не­драх звёзд вы­зы­ва­ют пре­вра­ще­ние лёг­ких хи­мич. эле­мен­тов в бо­лее тя­жё­лые, вплоть до же­ле­за; а са­мые тя­жё­лые эле­мен­ты ро­ж­да­ют­ся при взры­вах сверх­но­вых звёзд. Сжа­тие ядер про­эво­лю­цио­ни­ро­вав­ших звёзд при­во­дит к ро­ж­де­нию сверх­плот­ных объ­ек­тов – бе­лых кар­ли­ков, ней­трон­ных звёзд и чёр­ных дыр; при этом вы­де­ля­ет­ся зна­чи­тель­ная гра­ви­та­ци­он­ная энер­гия. Из­лу­че­ние нор­маль­ных звёзд яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски един­ствен­ным ис­точ­ни­ком энер­гии, спо­соб­ным под­дер­жи­вать жизнь на по­верх­но­сти пла­нет.

Звёз­ды ие­рар­хи­че­ски объ­е­ди­не­ны в сис­те­мы всё бо­лее и бо­лее круп­ного мас­шта­ба. Си­лой гра­ви­та­ции они свя­за­ны в двой­ные, трой­ные и ещё бо­лее слож­ные крат­ные сис­те­мы. Зна­чи­тель­ная часть звёзд по край­ней ме­ре не­ко­то­рую часть сво­ей жиз­ни про­во­дит в со­ста­ве звёзд­ных ско­п­ле­ний, со­дер­жа­щих от со­тен до мил­лио­нов звёзд в ка­ж­дом. Мо­ло­дые звёз­ды, их ско­п­ле­ния и свя­зан­ное с ни­ми меж­звёзд­ное ве­ще­ст­во час­то объ­е­ди­не­ны в звёзд­ные ком­плек­сы раз­ме­ром в сот­ни пар­сек и мас­сой в мил­лио­ны масс Солн­ца. От­дель­ные звёз­ды, их ско­п­ле­ния и ком­плек­сы, плот­ные об­ла­ка меж­звёзд­но­го га­за и раз­ре­жен­ная меж­об­лач­ная сре­да объ­е­ди­не­ны в га­лак­ти­ки мас­са­ми от де­сят­ков мил­лио­нов до со­тен мил­ли­ар­дов масс Солн­ца и раз­ме­ра­ми от не­сколь­ких ты­сяч до со­тен ты­сяч све­то­вых лет. В центр. об­лас­тях га­лак­тик пре­об­ла­да­ет ба­ри­он­ное (звёзд­ное) ве­ще­ст­во, но на их пе­ри­фе­рии всё за­мет­нее ста­но­вит­ся при­сут­ст­вие не­ба­ри­он­ной, скры­той мас­сы, ко­то­рая в це­лом пре­ва­ли­ру­ет в мас­се круп­ных га­лак­тик.

Боль­шин­ст­во га­лак­тик об­ра­зу­ет не­боль­шие груп­пы, а за­мет­ная часть (ок. 10%) – бо­лее круп­ные ско­п­ле­ния из со­тен и да­же мн. ты­сяч га­лак­тик. Эти ско­п­ле­ния, имею­щие ха­рак­тер­ный раз­мер в мил­лио­ны све­то­вых лет, ор­га­ни­зо­ва­ны в ещё бо­лее круп­ные струк­ту­ры – сверх­ско­п­ле­ния га­лак­тик раз­ме­ром в де­сят­ки мил­лио­нов све­то­вых лет, раз­де­лён­ные пус­то­та­ми та­ко­го же мас­шта­ба. Со­при­ка­саю­щие­ся ме­ж­ду со­бой сверх­ско­п­ле­ния и пус­то­ты ме­ж­ду ни­ми об­ра­зу­ют со­то­вую или, точ­нее, пе­но­об­раз­ную струк­ту­ру. Но и она не­од­но­род­на: в ней за­мет­ны уп­лот­не­ния мас­шта­бом в сот­ни мил­лио­нов све­то­вых лет – т. н. ве­ли­кие сте­ны. С пе­ре­хо­дом от струк­тур ма­ло­го мас­шта­ба ко всё бо­лее круп­ным кон­тра­сты плот­но­сти сни­жа­ют­ся, так что с уве­ли­че­ни­ем про­стран­ст­вен­но­го мас­шта­ба В. вы­гля­дит всё бо­лее и бо­лее од­но­род­ной.

К нач. 21 в. важ­ней­ши­ми не­ре­шён­ны­ми про­бле­ма­ми в изу­че­нии В. пред­став­ля­ют­ся сле­дую­щие: рас­ши­ре­ние на­шей В. и его на­чаль­ные ста­дии от ис­ход­ной син­гу­ляр­но­сти; про­бле­ма Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния осн. фи­зич. взаи­мо­дей­ст­вий (вклю­чая гра­ви­та­ци­он­ное); про­ис­хо­ж­де­ние и эво­лю­ция круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Ме­та­га­лак­ти­ки; про­бле­ма жиз­ни и ра­зу­ма во В. Су­ще­ст­ву­ет так­же про­бле­ма при­ро­ды фун­дам. объ­ек­тов не­клас­сич. ха­рак­те­ра, та­ких как чёр­ные ды­ры. Со­глас­но не­ко­то­рым пред­став­ле­ни­ям, их по­ни­ма­ние ле­жит за пре­де­ла­ми ОТО и тре­бу­ет по­строе­ния кван­то­вой тео­рии гра­ви­та­ции. Ос­та­ёт­ся от­кры­той и про­бле­ма объ­яс­не­ния при­ро­ды и «ме­ха­низ­ма дей­ст­вия» та­ких важ­ных и ха­рак­тер­ных объ­ек­тов В., как ак­тив­ные яд­ра га­лак­тик, ква­за­ры и гам­ма-вспле­ски. Так, толь­ко в не­дав­ние го­ды бы­ло до­ка­за­но, что гам­ма-вспле­ски – это да­лё­кие ме­та­га­лак­ти­че­ские со­бы­тия, энер­ге­ти­че­ски наи­бо­лее мас­штаб­ные в из­вест­ной В. Рас­смат­ри­ва­ет­ся так­же воз­мож­ность наб­лю­де­ния сре­ди объ­ек­тов на­ше­го не­ба (с по­зи­ций ин­фля­ци­он­ной В.) Боль­ших взры­вов, про­ис­хо­дя­щих в на­ча­ле ро­ж­де­ния др. все­лен­ных.

Начало начал

Зарождалось все ныне существующее из одной нулевой точки, где была сконцентрирована огромная энергия, показатели которой, такие как, к примеру, температура, давление и плотность, были невероятно высоки. Это состояние, имевшее место около 13 миллиардов лет тому назад, называется «сингулярностью». Но вот в некоторый момент – время Планка — происходит Большой Взрыв, а затем появляется небольшая Вселенная, чьи размеры исчисляются всего в паре микрон.

Физические характеристики только что начавшего свое существование мира были малопригодны для возникновения жизни.

Материалы по теме

Позитроны и электроны перестают постоянно образовываться. Вселенная становится полностью электрически нейтральной.

Спустя сто секунд после Взрыва начинают появляться первые химические элементы с легкими ядрами (водород, литий, гелий, дейтерий) благодаря слиянию нейтронов и протонов. Лишние частицы распадаются. Так проходит первичный нуклеосинтез.

Что дальше?

Будущее Вселенной

Есть несколько основных сценариев, по которым будет происходить дальнейшая эволюция Вселенной. Естественно, процесс расширения будет происходить и дальше, поэтому если он будет достаточно равномерен, то энергия рано или поздно будет исчерпана, что, согласно предсказаниям ученых, приведет к тепловой смерти.

Другой вариант – Большой Разрыв, то есть распад всего, что уже было создано в результате Большого Взрыва. Это произойдет при ускорении расширения Вселенной. Также есть сценарий, предполагающий так называемое Большое Сжатие, которое произойдет, если расширение замедлится, а затем и вовсе сойдет на нет.

Как именно все произойдет, не знает никто. Есть лишь некоторые догадки, гипотезы и теории, а известным остается только одно: время определенно покажет, как дальше будет развиваться наша Вселенная.