Современные космологические модели Вселенной

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования 

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА» 
 

Кафедра Физики 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2 

по  дисциплине «Концепция современного естествознания» 

Тему: «Современные космологические модели Вселенной» 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

Оглавление:

      Введение……………………………………………………………………. 3

      Современная космология………………………………………………….. 4

      Стандартная модель Вселенной…………………………………………... 6

      Модель  Большого взрыва и расширяющейся  Вселенной……………….. 8

      Инфляционная  концепция………………………………………………... 10

      Заключение………………………………………………………………... 12

      Список  использованной литературы…………………………………….. 13

 

Введение

      Современная космология – это сложная, комплексная  и быстроразвивающаяся система  естественно – научных и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.

      Связь между космологией и физикой  заключается в том, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.

      Современные космологические модели Вселенной  основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

 

Современная космология

      Классическая  ньютоновская космология предполагала статичность, пространственной устойчивости вещества во Вселенной, распределение  которой считалось равномерным. Она была представлена теорией иерархической Вселенной Шарлье, в основу которой была положена теория механики и модифицированная теория гравитации Ньютона. Основными постулатами классической ньютоновской космологии являются:

      • Вселенная - это всесуществующая. Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

      • Пространство и время Вселенной  абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов

      • Пространство и время метрически бесконечны.

      • Пространство и время однородны  и изотропны.

      • Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

      Ньютоновская  космологическая картина мира продолжала оставаться господствующей вплоть до начала 20-го столетия.¹

      Возникновение современной космологии связано  с развитием в XX веке релятивистской теория тяготения или Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, физики элементарных частиц, а также внегалактической астрономией.

      На  первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной (кривизна пространства-времени и возможная замкнутость пространства). В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространенно бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя.

      Начало  второго этапа можно было бы датировать работами А.А. Фридмана, в которых было показано, что искривленное пространство не может быть стационарным, что оно должно расширяться или сжиматься. На первый план теперь выступили проблемы механики Вселенной и её «возраста» (длительности расширения).

      Третий  этап начинается моделями «горячей»  Вселенной во второй половине 40-х годов.  Основное внимание теперь переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было очень необычным. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большее значение законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц.²

 

Стандартная модель Вселенной

      Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения.

      Стандартная модель состоит из следующих положений:

• Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков.
• Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.
• Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований.
• В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших.³

      Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной  назад во времени приводит при  использовании общей теории относительности  и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту, а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя.

 

Модель  Большого взрыва и  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 А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность). 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  теории относительности следовало, что искривленное пространство не может  быть стационарным: оно должно или  расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого кранного смещения.

     «Красное  смещение» - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, 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.

     Открытие  «красного смещения» позволило  сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

Если  Вселенная расширяется, значит, она возникла в определенный момент времени. Все существующее в мире вещество образовалось за доли секунды в бесконечно малом объеме и тут же начало разлетаться во все стороны с непредставимо высокой скоростью. В ходе этого расширения Вселенной ее вещество, исходно обладающей высочайшей температурой, стало остывать. По мере охлаждения мельчайшие элементарные частицы объединились в протоны и нейтроны, которые в свою очередь, образовали атомы газов водорода и гелия. На их долю и сейчас приходится основная масса Вселенной.⁴

 

Инфляционная  концепция

      Инфляционная  концепция проникает в более  ранние этапы времени зарождения Вселенной, т.е. со времени вакуумно-подобного  состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях возникновения, Вселенная имела неустойчивое, вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Полагается, что эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, т.е. как бы из ничего.

      Если  говорить о физическом вакууме, то в  этом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но с другой стороны это не является безжизненной пустотой. Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д. Тем не менее, в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Исходя из этого, что вакуум наполнен этими виртуальными частицами, взаимодействующими между собой, вводят понятие энергетических уровней вакуума. В соответствии с этим, энергия имеющаяся в вакууме, расположена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням и происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Несмотря на то, что такое состояние вакуума является неустойчивым и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Именно эти процессы ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории расширение Вселенной в 10⁵⁰ раз, больше чем полагалось в концепции большого взрыва. Согласно этой теории идет гигантское расширение с образованием гигантской энергии и при этом происходит понижение температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной. Полагается, что температура нагрева достигала порядка 10²⁷ К.⁵

 

Заключение