Курсовая теория на тему Фотометрический парадокс и природа фоновых излучений Вселенной

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ. 3

1
Теоретическая часть. 6

1.1
Фотометрический парадокс. 6

2 Космические
фоновые излучения. 10

2.1 Природа
появления. 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 22

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ   23

Введение:

Черные дыры и космология – две новые и, несомненно, самые удивительные
области исследований, которые породила эйнштейновская общая теория
относительности.

Вселенная, рассматриваемая как единое целое, – физическая система со
своими особыми свойствами, которые не сводятся к сумме свойств населяющих ее
астрономических тел. Эти свойства проявляются в явлениях самых больших
пространственно-временных масштабов. Главное из этих свойств — всеобщее
разбегание галактик.

Вселенная – самый крупный по масштабу объект науки. Он существует в
единственном экземпляре. Из этих обстоятельств следует ряд особенностей
космологии как науки. Действительно, Вселенную можно только наблюдать,
экспериментировать с нею невозможно. Никаких других вселенных нам не дано, и
сравнивать нашу Вселенную не с чем. Этим космология отличается, например, от
физики элементарных частиц, которая изучает объекты, имеющиеся в природе в
большом количестве и допускающие разнообразное экспериментирование.

Еще одной особенностью науки о Вселенной является близкое родство с
философскими идеями и исканиями, с попытками осмыслить место человека в мире.

И, тем не менее, космология – это все же настоящая естественнонаучная дисциплина,
в которой главное – конкретные факты, а любые теоретические выводы могут
считаться правильными только тогда, когда они проверены и подтверждены прямыми
астрономическими наблюдениями.

Основу современной космологии составляет теория, созданная Александром
Александровичем Фридманом в 1922-24 гг. Эта теория полностью подтверждена всей
совокупностью имеющихся сейчас наблюдательных данных о Вселенной как целом. Ее
глубина, богатство физического содержания раскрываются все полнее с каждым
новым наблюдательным открытием в космологии.

Главное у Фридмана – теория космологического расширения. Фридман смог
предсказать этот грандиозный космический феномен и дать ему полное
математическое описание.

В последние годы явление космологического расширения часто называют
Большим Взрывом. В ходу также и менее общее понимание этого термина: под ним
иногда подразумевают самые первые, начальные стадии космологического
расширения. А иной раз – и сам физический механизм (до сих пор не разгаданный),
благодаря которому это расширение началось.

Современная космология берет начало впервые десятилетия XX века. Это была
особая эпоха в истории науки. Тогда были созданы теория относительности и
квантовая механика, составляющие фундамент всей физики.

За истекшие с тех пор десятилетия космология прошла путь от первых
теоретических поисков, которые почти всем казались поначалу совершенно
абстрактными и произвольными, если не фантастическими, к грандиозным
наблюдательным открытиям, к формированию новой богатой содержанием и хорошо
обоснованной картины мира.

История космологии складывается, если говорить совсем кратко, из трех
крупнейших событий. Это открытия, которые и определили лицо науки о Вселенной к
началу XXI века.

Первое из трех важнейших открытий сделано Эдвином Хабблом в 1929г. он
обнаружил разбегание галактик, которое теперь понимают как всеобщее расширение
Вселенной. Второе событие – регистрация реликтового излучения, равномерно
заполняющего все пространство мира. Это открытие было сделано в 1965 г. Арио Пензиасом и Робертом Вилсоном (Нобелевская премия
1976 г). Наконец, третье и самое свежее событие – открытие космического вакуума
двумя группами астрономов в 1998-99 гг.

Замечательно, что все три крупнейшие наблюдательные
открытия были заранее предсказаны теоретиками. Расширение Вселенной было
предсказано Фридманом в 1922 г. Реликтовое излучение тоже было предсказано — по
заслугам Георгия Антоновича Гамова (1940-50-е годы). Существование же
космического вакуума предвидел Эйнштейн (1917 г.).

Одним из
наиболее задаваемым вопросом является: «Почему небо черное». Этот парадокс
объяснил Олберс и назван фотометрическим парадоксом. Окончательно фотометрический и гравитационный парадоксы были разрешены
лишь в релятивистской теории эволюционирующей Вселенной, разработанной на
основе общей теории относительности А. Эйнштейна (1879–1955).

Объект
исследования: Вселенная.

Предмет
исследования: процессы, происходящие во Вселенной.

Цель исследования:

— изучить
особенности появления процессов Вселенной.

Задача
исследования:

— изучить
фотометрический парадокс;

— изучить понятие
«излучение»;

— изучить
особенности появления фоновых излучений Вселенной.

Заключение:

Вселенная – самый крупный
по масштабу объект науки. Он существует в единственном экземпляре. Из этих
обстоятельств следует ряд особенностей космологии как науки. Действительно,
Вселенную можно только наблюдать, экспериментировать с нею невозможно. Никаких
других вселенных нам не дано, и сравнивать нашу Вселенную не с чем. Нас
постоянно волнуют вопросы на которые мы не можем дать однозначные ответы.
Например, почему ночью небо темное. На этот вопрос можно ответить используют
фотометрический парадокс.

Фотометрический
парадокс Ольберса (далее – Ф.п.), один из
классических космологических парадоксов, сформулированный в 1823 немецким
астрономом и врачом Генрихом Вильгельмом Ольберсом (1758–1840). Кратко этот
парадокс звучит именно касательно вопроса: «Почему ночью небо темное?».

Проблема заключается в том, что если в бесконечном
пространстве Вселенной существуют равномерно рассеянные излучающие звезды, то в
каждом направлении на луче нашего зрения обязательно должна быть какая-то
звезда. И поэтому вся поверхность неба должна казаться нам
ослепительно яркой, подобно поверхности Солнца; в действительности же ночное
небо темное.

Фоновое космическое
излучение – электромагнитное излучение Вселенной, не искажённое ближайшими источниками
(атмосферой Земли, излучением Галактикой т. п.). Именно излучения должны были
бы воспринимать приборы с широким полем зрения, вынесенные в пространство между
галактиками. К сожалению, такой эксперимент невозможен. Астрономы изучают
излучения, используя наземные и внеатмосферные приборы. В связи с этим
отделение фонового компонента от диффузного (рассеянного) излучения локальной и
галактической природы является трудной задачей.

Фрагмент текста работы:

1 Теоретическая часть 1.1 Фотометрический парадокс Фотометрический
парадокс Ольберса (далее – Ф.п.), один из
классических космологических парадоксов, сформулированный в 1823 немецким
астрономом и врачом Генрихом Вильгельмом Ольберсом (1758–1840). Кратко этот
парадокс звучит так: «Почему ночью небо темное?».

Проблема заключается в том, что если в бесконечном
пространстве Вселенной существуют равномерно рассеянные излучающие звезды, то в
каждом направлении на луче нашего зрения обязательно должна быть какая-то
звезда, и поэтому вся поверхность неба должна казаться нам ослепительно яркой,
подобно поверхности Солнца; в действительности же ночное небо темное.

Возможно, самый большой парадокс в истории науки заключается
в том, почему имя немецкого астронома Вильгельма Ольберса стало тезкой этого
загадочного явления. Действительно, это один из редких случаев, когда название
явления или закона не включает имя человека, который впервые его сформулировал.
Историки науки расскажут вам, что впервые эта проблема была упомянута
английским астрономом XVIII века Эдмундом Галлеем в 1720 году, затем,
независимо от него, она была сформулирована швейцарцем XVIII века Жаном
Филиппом де Шазо в 1742 году — и на нее был дан ответ, который в принципе не
отличается от ответа, предложенного Ольберсом в 1823 году.

Так называемый фотометрический парадокс Ольберса
формулируется довольно просто: Если Вселенная бесконечна, однородна и
неподвижна (а в XVIII-XIX веках астрономы в этом не сомневались), то на небе —
неважно, в какую сторону вы смотрите – рано или поздно появится звезда [16]. То есть все небо должно быть сплошь заполнено ярко сияющими
точками звезд. То есть ночью небо должно ярко светиться. Но почему-то мы
наблюдаем только черное небо с одиночными звездами.

Ольберс объяснил это явление поглощением света в межзвездном
пространстве, поскольку оно частично заполнено светопоглощающим материалом,
таким как облака межзвездной пыли. Однако с появлением первого закона
термодинамики это объяснение перестало быть бесспорным, поскольку поглощение
света неизбежно привело бы к тому, что межзвездная материя нагрелась бы и
начала излучать свет.

Парадокс Ольберса был окончательно разрешен только в
двадцатом веке. Теперь мы знаем, что Вселенная имеет конечный возраст. Если
предположить, что Большой взрыв произошел 15 миллиардов лет назад, то астрономы
могут наблюдать светящиеся объекты на расстоянии не более 15 миллиардов
световых лет. Таким образом, число звезд на ночном небе конечное, хотя и
огромное, и поэтому мы не видим звезды в каждом направлении наблюдения. Кроме
того, мы знаем, что звезды не вечны – со временем они умирают и перестают
светить. Поэтому даже если в направлении наблюдения есть звезда, это не значит,
что она обязательно будет светить, потому что это может быть древняя звезда,
ядерное топливо внутри которой уже давно израсходовано [4]. Любого из перечисленных объяснений достаточно, чтобы
считать вопрос исчерпанным парадоксом Ольберса, хотя, конечно, во времена
Ольберса и его предшественников объясняющие его явления не были известны (за
исключением гипотезы о поглощении света в межзвездном пространстве).

Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса, парадокс Шезо –
Ольберса) – несоответствие наблюдениям оценки яркости ночного неба, вытекающей
из гипотезы бесконечной статической однородной евклидовой Вселенной. В самом
деле, в рамках этой гипотезы любой луч зрения должен пересечь поверхность
какой-нибудь звезды (иными словами, всё небо должно быть сплошь покрыто
звёздами). Следовательно, яркость ночного неба должна быть равна ср. яркости
фотосферы звезды, что, естественно, противоречит наблюдениям (см. Фоновое
космическое излучение).

Чтобы объяснить фотометрический парадокс, Ольберс
предположил, что в межзвездном пространстве существует рассеянная материя,
которая поглощает свет далеких звезд. Хотя столетие спустя межзвездное поглощение
света действительно было обнаружено, оно не смогло разрешить
фотометрический парадокс: В бесконечной и вечной Вселенной, равномерно
заполненной звездами, сами частицы пыли нагрелись бы до температуры поверхности
звезды, и они сияли бы как звезды.

Для
решения Ф. п. достаточно вспомнить о конечности скорости света и отказаться от
гипотезы бесконечной статичной однородной евклидовой Вселенной. Как первым
показал У. Томсон (1901), не существует Ф. п. п. (т.е. ночное небо должно быть
темным, как оно и есть в действительности), если выполняются следующие три
условия: скорость света конечна; время существования Вселенной конечное или светимость
звезд конечна, среднее расстояние между звездами порядка нескольких световых
лет или больше. Количественно, если речь идет о возрасте Вселенной или возрасте
звезд:

to<
1014 L3 лет,

где
L — среднее расстояние между звездами в световых годах, то звезд не хватит,
чтобы полностью покрыть небо. Все эти три условия выполняются в современных
космологических моделях. Другими словами, рассматривая все более удаленные
звезды или галактики, мы видим картину далекого прошлого (из-за конечного
характера скорости света) и в конце концов достигаем времени, когда галактик и
других компактных объектов не существовало.

Космологическое
смещение, возникающее в расширяющейся Вселенной, качественно не меняет
утверждение об отсутствии ФП, а лишь приводит к дополнительному ослаблению
светимости далеких компактных объектов (т.е. ночное небо становится еще
темнее). С другой стороны, в расширяющейся Вселенной имеет место современный
вариант ФП, который уже не кажется парадоксальным: за удаленными галактиками во
всех направлениях линии визирования мы видим непосредственно область
рекомбинации водорода в горячей Вселенной — сферу с радиусом, равным
расстоянию, которое прошел свет с того момента в прошлом, когда излучение во
Вселенной отделилось от материи и продолжало свободно распространяться