Естествознание и Вселенная

Вариант № 7

 

План:

 

1. Происхождение Вселенной и её структура…………………………………………….2
2. История развития естествознания………………………………………………………12
3. Пространство и время в современной научной картине мира.                                        Свойства пространства и времени……………………………………………………….21
4. Список используемой литературы……………………………………………………….26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Происхождение Вселенной и её структура

Вселенная – обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют  ими. Однако термин Вселенная может  трактоваться и иначе, как космос, мир или природа.

Астрономические наблюдения Вселенной позволили с относительной  точностью установить «возраст»  Вселенной, который по последним  данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет. Однако, среди некоторых учёных существует точка зрения, что Вселенная  никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях.

Вселенная бесконечна во времени  и пространстве. Каждая частичка вселенной  имеет свое начало и конец, как  во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и  вечна, так как она является вечно  самодвижущейся материей.

Вселенная – это всё  существующее. От мельчайших пылинок  и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или  иначе изучает Вселенную, точнее, те или иные её стороны. С развитием  кибернетики в различных областях научных исследований приобрели  большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в  том, что вместо того или иного  реального объекта изучается  его модель, более или менее  точно повторяющая оригинал или  его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно  вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных  явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени  астрономы занимались изучением  однородной и изотропной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом  и все законы остаются неизменными  для любых областей и в любых  направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье – неизменность картины мира. Это означает, что  в какую бы эпоху мы не созерцали  мир, он всегда должен выглядеть в  общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные  факты она ни учитывала, любая  модель это еще не само явление, а  только более или менее точная его копия, так сказать, образ  реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей  Вселенной, необходимо обязательно  проверять путем сравнения с  реальностью. Нельзя отождествлять  само явление с моделью. Нельзя без  тщательной проверки, приписывать природе  те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и не изотропной Вселенной.

Видимая часть Вселенной  – Мегагалактика. Её размеры составляют около 20 световых лет.

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть  гигантского скопления звезд  и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.

Гала́ктикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов (10⁶) до нескольких триллионов (10¹²) звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Кроме отдельных звёзд и разрежённой межзвёздной среды, большая часть галактик содержит множество кратных звёздных систем, звёздных скоплений и различных туманностей. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет.

Хотя около 90% массы галактик приходится на долю тёмной материи  и энергии, природа этих невидимых  компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся  сверхмассивные чёрные дыры.

Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом со средней плотностью меньше одного атома вещества на кубический метр. Возможно, что в наблюдаемой части Вселенной находится около 10¹¹ галактик.

Звезды и туманности в  пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют  во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные  участки Галактики имеют различные  периоды вращения.

Звезда́ – небесное тело, по своей природе сходное с Солнцем, вследствие огромной отдалённости видимое с Земли как светящаяся точка на ночном небе. Звёзды представляют собой массивные самосветящиеся газовые (плазменные) шары, образующиеся из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами Кельвинов, а на их поверхности – тысячами Кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий или гелия в углерод, происходящих при высоких температурах во внутренних областях, у отдельных, редко встречающихся звёзд, в ходе других процессов. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

Ближайшей к Земле звездой  является (не считая Солнца) Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 св. лет от нашей Солнечной системы (4,2 св. лет = 39 триллионов км = 3,9 × 10¹³ км).

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько  десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень  важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике  порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы  Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а  также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое- звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких  скоплениях миллиарды лет.

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.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят  в основном из газа и пыли, – это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, – планетарные.

Существуют еще светлые  диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике  заполнено везде – разреженным  межзвездным газом и межзвездной  пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля –  гравитационное и магнитное. Пронизывают  межзвездное пространство космические  лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые  при движении в магнитных полях  разогнались до скоростей, близких  к скорости света, и приобрели  огромную энергию.

Галактику можно представить  в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные  газовые облака. Диск со спиральными  ветвями образует основу плоской  подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся  к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся  к сферической подсистеме. Сама Галактика  вращается вокруг своей центральной  области. В центре Галактики сосредоточена  лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие  к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики  условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные  галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные  галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни кометы бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца.

Солнечная система – это  очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью  системы как целого.

В определенном плане Земля  выделена самой природой: в Солнечной  системе только на этой планете существуют развитые формы жизни, только на ней  локальное упорядочение вещества достигло необычайно высокой ступени, продолжая  общую линию развития материи. Именно на Земле пройден сложнейший этап самоорганизации, знаменующий глубокий качественный скачок к высшим формам упорядоченности.

Отличие планет земной группы от планет-гигантов очевидны. Но и среди  ближайших соседей Земли нет  двух одинаковых планет: все они  различаются размерами, физико-химическими  параметрами, строением недр и поверхностей, атмосферами и другими характеристиками. Основными различия определены начальными условиями формирования планет –  химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного  облака, где эти планеты формировались, расстоянием от Солнца, резонансными взаимодействиями с другими планетными телами и Солнцем.

Прямые исследования других ближних планет только начаты. Тем  не менее, имеющиеся сведения уже  позволяют проводить сравнительное  изучение внешних оболочек Земли  и других планет Солнечной системы. На этой основе возникло новое научное  направление, названное сравнительной планетологией.

Земля – планета Солнечной системы.

Земля – самая большая планета в своей группе. Но даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удерживать свою газовую атмосферу. Земля интенсивно теряет водород и некоторые другие легкие газы, что подтверждают наблюдения за так называемым шлейфом Земли. Венера почти равна по размерам и массе Земли, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свободный водород. У остальных двух планет этой группы атмосфера либо отсутствует (Меркурий), либо сохранилась в очень разряженном состоянии (Марс).

Наиболее близкие к  Солнцу планеты – Меркурий и Венера – очень медленно вращаются вокруг оси, с периодом в десятки-сотни  земных суток. Медленное вращение этих планет, связано с их резонансными взаимодействиями с Солнцем и  друг с другом. Земля и Марс вращаются  почти с одинаковыми периодами  около 24 ч. Земля и Венера также  образуют резонансную структуру. В  этой группе планет только Венера имеет  обратное вращение (противоположное  направлению вращения Солнца вокруг своей оси), она как бы опрокинута «вверх ногами» на своей орбите. Наконец, только Земля в своей  группе имеет сильное собственное  магнитное поле, более чем на два  порядка величины превосходящее  значения магнитных полей у других планет.