1 космология надя Кискинова наоп “Юрий Гагарин”



Дата04.01.2018
Размер113.01 Kb.
#40963
1

КОСМОЛОГИЯ
Надя Кискинова

НАОП “Юрий Гагарин”

Стара Загора
2.

Галактичния куп Abell 2218

Космологията е наука, изследваща структурата и развитието на Вселената като цяло.

Космологията е наблюдателна наука, която доскоро се основаваше на два факта:



разширението на Вселената или червеното разбягване на галактиките, описано със закона на Хъбъл и
3.

Неотдавна е направена нова карта на небето с висока разделителна способност, показваща разпределението на микровълновото фоново излъчване, възникнало само 380 хиляди години след Големия взрив. Анализът на тази карта позволи да се получат нови, по-точни данни за строежа на нашата Вселена. Интересни резултати, получени със спътника на името на Уилкинсон – WMAP – измерващ анизотропното реликтово излъчване дава отговор на отдавна възникнали въпроси в космологията, натрупали се поради недостиг на данни. В частност, анализът на тази карта дава следните резултати: възрастта на Вселената с точност до 1% е 13,7 млрд години; тя се състои от 73% тъмна енергия, 23% тъмно вещество и само 4% “нормално” вещество – атоми. Сега Вселената се разширява със скорост 71 км/сек/Мпс, определена с точност до 5%, макар че в миналото е изпитала ред бързи разширения /инфлации/. Параметрите на Вселената са такива, че тя ще се разширява вечно.


4.

Тъмното вещество във Вселената в този куп от галактики се изявява в рентгеновите наблюдения на орбиталната обсерватория ROSAT

Оказва се, че Вселената съдържа материя, наречена доста мъгляво тъмна енергия. Все още не е разгадана тайната на тъмното вещество , представляващо към 23% от масата на Вселената, а вече има нов голям въпрос - какво представлява тъмната енергия. Дали тя не е свойство на самия вакуум. Ясно е само едно – на тази тъмна енергия се пада 73% вселенска маса. Оказва се, че “видимият” свят, този който съдържа едва 4% обикновено вещество – вода, въздух, планетата Земя, звездите, галактиките, електромагнитната и други видове позната енергия е толкова малка част от нашето познание. Въпреки това можем да се гордеем със знанията си за вселенската структура и нейния произход.


5.

През 1992 г. бе установено, че във фоновото микровълново лъчение има много малки нееднородности. Те свидетелстват за ставащото в ранната много “малка” Вселена, когато се е изявявала квантовата природа на веществото. От тези нищожно малки сгъстявания – “зародишите” - впоследствие възникнали куповете и самите галактики в тях. И по-нататък – звездите, в които се раждат химическите елементи и се извършва кръговратът на вселенското вещество.

6.

Зараждане на първите звезди


7.

Linx Arc


МЕГАКУП ОТ ЗВЕЗДИ - ДЪГАТА НА РИСА

Мегакупът от звезди всъщност е червената дъга зад отдалечен на 4,5 млрд. св.г. галактичен куп в съзвездието Рис. Дъгата е разтегленото и увеличено изображение на загадъчен небесен обект, който е зад купа – на разстояние 12 млрд. св.г. Това означава, че този обект вече е съществувал, когато Вселената е била само на 2 млрд. години! Това е огромен регион на звездообразуване от току-що формирали се първични ярки и много горещи звезди – поне милион на брой, кондензирали се непосредствено след Големия взрив.


8.

Земята не е неподвижна. Тя се върти около Слънцето, то около центъра на Галактиката. Млечният път се движи вътре в Местната група галактики, а тя като цяло лети по посока на купа галактики в Дева. Но скоростите на всички тези движения са малки в сравнение с тази, с която се движат всички тези обекти спрямо реликтовото лъчение или космическото микровълното фоново излъчване.

На тази карта на небето реликтовото излъчване по посока на движение на Земята е в синьо /синьо доплерово преместване/ и изглежда по-горещо, отколкото е в действителност, а в обратната посока – то е червено /отдалечава се от нас и има червено доплерово изместване/ - изглежда по-студено. Картата още показва относителната скорост на движение, която се оказва неочаквано огромна – Местната група галактики се движи със 600 км/сек спрямо реликтовото излъчване – факт, който още не е получил обяснение. Защо се движим толкова бързо? Какво ни тегли толкова силно?...
9.

Благодарение развитието на наблюдателната наземна и космическа техника през последните години е ясна структурата на Вселената – структура, подобна на клетките в живите организми. Влакната се образуват от удължените по форма свръхкупове от галактики. В едромащабната структура на Вселената ясно се виждат “стени”, образувани от няколко свръхкупа и “кухини” със същия размер , в които почти няма галактики. Стените се ограничават от кухини, а в краищата си се съединяват с подобни съседни структури. Размерите на най-големите “стени” стигат до 100 Мпс. Така наречената Велика стена е наблюдателен факт от 1989 г. и е с размери 200х100х20 Мпс. Представлява струпване на множество галактики във формата на листо, гледано отстрани и се намира на 250 св.г. разстояние от нас.

В момента астрономите наблюдават много купове като този в Дева и структури, подобни на Великата стена.
10.

В такъв мащаб –почти 10 пъти повече от структури като Великата стена – Вселената е еднородна. Т. е. ако разположим структури като Великата стена в куб с размери 200-300 млн. св. г., той ще съдържа еднакво количество галактики – толкова, колкото и всеки друг куп с такива размери на друго място във Вселената. При това, независимо в коя посока наблюдаваме, нещата не се променят. Един наблюдател, разположен на произволно място във Вселената, ще вижда същата едромащабна структура, която виждаме и ние. Това свойство се нарича изотропност на Вселената.


11.

И така, в големи мащаби Вселената е еднородна и изотропна.

Това означава, че структурните детайли на далечните звезди и галактики, физическите закони, на които те се подчиняват и съответните константи в тях, независимо къде и на какво разстояние са от нас, са също едни и същи. Това твърдение е т. нар. ОСНОВЕН КОСМОЛОГИЧЕН ПРИНЦИП - отправна точка на науката космология. Той може да се формулира и така:

В ГОЛЯМ МАЩАБ, НАВСЯКЪДЕ И ПО ВСЯКО ВРЕМЕ, ВСЕЛЕНАТА Е ЕДНАКВА

Така възприетият от космолозите принцип позволява да се построи теория на цялата Вселена – наблюдаемата и ненаблюдаемата. Вселената може да се моделира – това означава, че може да се конструира физико-математически модел на Вселената, който се основава на представите на своите създатели.


12.

Исак Нютон

Моделът на статичната Вселена

Нютон

Абсолютизирайки Основния космологичен принцип се стига до Идеалния космологичен принцип, залегнал във възгледите на Нютон, според който пространството било безкрайно вместилище на отделните предмети, звезди и галактики, а времето безучасто измервало всичко ставащо, без да се влияе от процесите и скоростта на тяхното развитие. Така Вселената изглеждала не само една и съща навсякъде, но и винаги. Тя била лишена от каквото и да е развитие, от всякаква еволюция. Защото, ако

“…пространството е затворено, то поради гравитацията веществото от покрайнините би се стремило да попадне в центъра и там би се скупчило като единна огромна кълбовидна маса… Ако веществото равномерно запълва безкрайното пространство, то най-много част от него би била събрана в едно малко кълбо, друга – в друго кълбо и така биха се образували безброй много звезди на големи разстояния…”
13.

Парадоксът на Олберс

Навярно първият, който се усъмнил в Нютоновия модел бил швейцалският астроном Жан Филип Шезо. Озадачавал го такъв тривиален въпрос: “Защо през нощта е тъмно?” – Нали звездите са безброй много – тогава нощното небе трябва да е равномерно осеяно с плътно наредени една до друга звезди.

Шезо не посмял да се противопостави на авторитета на Нютон и решил, че тъмнината на нощното небе се дължи на междузвездните прахови облаци, закриващи светлината от по-далечните звезди.

След това 80 години никой не се вълнувал от тъмнината на нощта.

През първата половина на ХІХ век сред най-известните астрономи се появило името на Хенрих Вилхелм Олберс – лекар по професия, практикуващ в Берлин. Той не се задоволил с обяснението на Шезо, защото, разсъждавал той, ако в междузвездното пространство има толкова много прах, то поради нагряването му от звездите, той ще има собствено светене. Затова небето не би трябвало да е черно нощем, а да свети подобно на Млечния път. Да, но това не е така.

Така бил формулиран така наречения ФОТОМЕТРИЧЕН ПАРАДОКС на Шезо-Олберс.
14.

Алберт Айнщайн



Айнщайн

В самото начало на ХХ век Айнщайн поставя фундамента на новата физика – Специалната и Обща теория на относителността. Логичните разсъждения и математически решения на уравненията довели до неочаквана представа за гравитацията като свойство на изкривеното пространство-време. Докато всеки, умеещ да борави с математически уравнения сам може да стигне до верните им решения, то представата за изкривеното пространство-време смутила и най-будните умове на времето си.

Първият, който приложил ОТО в космологията бил пак Айнщайн. Но тук дори и той бил доста смутен от резултата – Вселената трябвало да се разширява или свива като цяло, но не и да е статична. Решенията на уравненията извеждали в един положително закривен краен, но без граници свят , подобен на външната закривена повърхност на кълбо, но четиримерно – пространствено-времева сфера. Закона на Хъбъл принуждавал тази сфера да се разширява. За да направи отново статична “своята” Вселена, Айнщайн въвел поправка в своите уравнения – знаменитата Ланда – сила като притеглянето, но с обратен знак, т.е. отблъскване, антигравитация, която трябвало да отблъсква звездите, докато гравитацията се стреми да ги разпръсне. Така като цяло Вселената изглеждала вечна и неизменна, макар че на места материята в нея би могла да се разширява, а на други – да се свива компенсиращо. Това е вече моделът на стационарната Вселена, динамична на места, но неизменна като цяло.
15.

Моделът на динамичната гореща Вселена

През лятото на 1922 г. в берлинското списание “Анали на физиката” се появява статията на руския физик, математик и метеоролог Александър Фридман озаглавена “За кривината на пространството”. В нея непредубеденият млад учен стига до същите решения на уравненията на ОТО като Айнщайн, без да прибягва до спасителни прийоми за статичност на Вселената и основавайки се на Основния космологичен принцип стига до 3-те възможни модела на Вселената, един от които би трябвало да отговаря на действителността. Но и трита модела водят до някакво изходно начало и непрекъснато развитие във времето – разширение или свиване. Геометрията на Вселената зависела от количеството вещество в нея, т.е. от средната плътност:
16.

Ако средната плътност на вселенското вещество е колкото изчислената критична плътност, възлизаща на 8х10(-27) г/куб. см, геометрията на Вселената е 4-мерна плоскост с постоянно разширение. Имайки предвид наблюдаемото вещество, такава Вселена би трябвало да е на 13 млрд. години.

Ако ср- плътност е по-голяма от критичната, пространството-времето се изкривява до такава степен, че се затваря в себе си. Такава Вселена е ЗАТВОРЕНА и в един момент трябва да се върне в изходното си начало. Такава Вселена трябва да е доста млада – на по-малко от 13 млрд. години.

Ако ср. плътност е по-малка от критичната Вселената е ОТВОРЕНА и безкрайно разширяваща се. Възрастта на Вселената в този случай трябва да е между 13 и 19,5 млрд. години.

17.

Отворена и затворена Вселена


18.

Александър Фридман

Веднага след като Фридман публикувал статията си, Айнщайн реагирал остро, но се заел с проверката на своите уравнения, този път избягвайки въведения ЛАНДА-член за целите на симетрията гравитация-антигравитация.

Стигнал до същия извод като Фридман, чест прави на Айнщайн, че в същите “Анали на физиката” публикувал собственото си опровержение:

В предишните си забележки аз критикувах горната работа (на Фридман). Но се убедих, че те се базират на мои грешки в изчисленията. Аз считам, че резултатите на Фридман са правилни и хвърлящи нова светлина. Оказва се, че моите уравнения на полето допускат редом със статичните и динамични решения за характера на пространството.”

Седем години след спора между Айнщайн и Фридман, Хъбъл публикува своите резултати от наблюдението на разбягващите се галактики (1929 г.). Фридман, обаче вече не е сред живите. Умира на 37 години от тиф.


19.

ГОЛЕМИЯТ ВЗРИВ

Теорията на Големия взрив е разработена от Джордж Гамов – американски астрофизик, живеещ и работещ в Америка от 1934 г., но руснак по произход – роден в Одеса през 1904 г.

Вселената се е зародила от свръхплътно и свръхгорещо състояние – СИНГУЛЯРНОСТ – състояние ,неописуемо от законите на физиката.

Квантовата физика може да опише състоянието на Вселената от т.нар. време на Планк, което се определя само от стойностите на трите фундаментални константи – гравитационната, планковата и скоростта на светлината - 10(-43)-мата секунда след Големия взрив, но и тя не е в състояние да опише самата сингулярност. Принципно зараждането на света може да бъде проследено до този момент. Безсмислен е и въпросът



Какво е имало ПРЕДИ Големия взрив?

Защото от Големия взрив започва да “тече” нашето време. Задавайки такъв въпрос все едно се питаме къде е Запад, намирайки се на Северния полюс на Земята. Там Изток и Запад няма. От Северния полюс може да се тръгне само на Юг – т.е. само Югът има смисъл. Посоките Изток и Запад се появят с първата крачка, направена от точката на Северния полюс. Така както времето на нашата Вселена започва от момента на Големия взрив.

И така, развитието на Вселената може да се проследи от времето на Планк –

10(-43)-мата секунда след Големия взрив. Това е първата “крачка”, определена от квантовия свят, доминиращ в първите мигове на Вселената. Тя се е променяла коренно неколкократно на няколко етапа и развитието й може да се проследи чрез условни моменти – ери, траещи от части на секундата до милиарди години. Тяхната значимост се определя не от продължителността им, а от онова, което се е случило, от взаимодействието, което е преобладавало:

20.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯТА В ПРИРОДАТА

Взаимодействия в природата са само 4, което само по себе си е доста странно, имайки предвид цялотот й многообразие.

СИЛНО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – отговорно за стабилността на ядрото. То не позволява на изграждащите го частици да се разбягват заради електростатичното отблъскване между тях.

Кварките са частиците, глуоните /слепващи/ са частиците на взаимодействие, задържащи кварките в протоните и неутроните, /наричани общо адрони/. Глуоните така силно задържат кварките, че ние не можем да наблюдаваме кварки в свободно състояние. Взаимодействието наистина е много силно, но в мащаба на атомното ядро.

ЕЛЕКТРОМАГНИТНО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – играе основна роля в мащабите на атома и е отговорно за многообразните прояви на електромагнетизма. То задържа електроните около ядрото, то свързва атомине в молекули и е движеща сила при всички химични реакции. 100 пъти е по-слабо от силното взаимодействие.

Основен носител е фотонът.

Радиусът на действие се простира до безкрайност, но интензитетът намалява с квадрата на разстоянието между електрически заредените частици и тела.

СЛАБО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – отговорно за превръщането на химичните елементи при термоядрените реакции в недрата на звездите и е 1000 пъти по-слабо по интензивност от електромагнитното.

Проявява се при Бета-разпада. Благодарение на него атомите на един химичен елемент се превръщат в атоми на друг химичен елемент.



Адроните /протони и неутрони/ са частичките, а бозоните са тези, които осъществяват взаимодействието между тях.

Проявява се само в границите на атомните ядра.

ГРАВИТАЦИОННО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – подчинява всичко в света - цялата Вселена, еволюцията й, както и тази на структурите в нея.

Подчинени са му всички частици и тела с всевъзможни размери, а взаимодействието се осъществява чрез хипотетичната все още частица, наречена гравитон. Тъй като природата му все още не може да се счита за изяснена, спорно е дали изобщо съществува гравитонът. Общата теория на относителността приема гравитацията като псевдосила или проява на свойството на пространство-времето да се изкривява около масивни тела.

Гравитацията е най-слабото по интензивност взаимодействие, което на практика не играе никаква роля в света на микрокосмоса, но радиусът на действие се простира до безкрайност. Подобно на електромагнитното взаимодействие, интензитетът на травитационната “сила” намалява с квадрата от разстоянието между гравитиращите тела.

И така:


Четирите взаимодействия имат своя обхват и играят различна роля при различните процеси, но природата е единна и немислима без някое от тях. Създавайки теория, която би обединила в едно всички тези взаимодействия, бихме се доближили до ясна представа за всичко в света. Такава е била мечтата на Айнщайн, но и век след него учените продължават да търсят ВЕЛИКОТО ОБЕДИНЕНИЕ на взаимодействията.
21.

Днес възрастта на Вселената е изчислена на 13,7 млрд. години, макар че може и да е с милиард години повече – 14,7, поради по-бавното протичане на въглеродно-азотния цикъл на термоядрени реакции в звездите, както се предполага напоследък. Така или иначе, установено е, че понастоящем Вселената се разширява ускоряващо и по всичко личи, че живеем в един ОТВОРЕН свят.

Ролята на “ускорител” на разширение се приписва на тъмната енергия в качеството й на свойство на вакуума.
22.

Абат Леметр

Космологията е истинско предизвикателство за човешкия ум. Ето какво казва белгийският абат Жорж Леметр, един от най-известните космолози на ХХ век и един от “сценаристите” на Големия взрив: “Еволюцията на Вселената може да се сравни с фойеверк, който току-що е свършил – останали са само няколко догарящи алени снопа искри, пепел и дим. Стъпили на изстиналите въглени, ние гледаме бавното изгасване на слънцата и се опитваме да си представим изчезналото великолепие на началото на световете.”
23.

Айнщайн и Леметр







Каталог: sites -> default -> files -> site-documents -> universe
site-documents -> Закон за всеобщото привличане и законите на Кеплер, а кометата, открита на "върха на перото" получава името на своя откривател халеева комета
site-documents -> Луна надя Кискинова наоп „Юрий Гагарин”
site-documents -> Текст на презентацията проекта проксима
site-documents -> Надя Кискинова
site-documents -> 1. слънцето нашата звезда Надя Кискинова наоп, Стара Загора
universe -> Народна астрономическа обсерватория “Юрий Гагарин” стара загора курс по обща астрономия
universe -> Народна астрономическа обсерватория “Юрий Гагарин” стара загора курс по обща астрономия


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница