Презентация по дисциплине концепции современного естествознания

1. Презентация по дисциплине концепции современного естествознания Шмакова Елена Эдуардорвна Ст. преподаватель кафедры «Электроника» Институт ИИБС для специальностей: «Финансы и кредит», «Бухгалтерский учет, анализ и аудит», «Мировая экономика» «Панорама современного естествознания»

2. Цели и задачи • понимание специфики естественнонаучного и гуманитарного компонентов культуры, ее связей с особенностями мышления; • формирование представлений о ключевых особенностях стратегий естественнонаучного мышления; • понимание сущности трансдисциплинарных и междисциплинарных связей и идей важнейших естественнонаучных концепций, лежащих в основе современного естествознания. • Курс «Концепций современного естествознания» является базовым для изучения технических дисциплин, экология, философии и социально-экономических наук.

3. Лекция 2 ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

4. Источники Гуревич Л. Э. Общая теория относительности в физической картине мире. Гравитация, космология, космогония / Л.Э.Гуревич, А.Д.Чернин. - М. : Знание, 1970. - 61с. : ил. Толмен Р. Относительность. Термодинамика и космология : Пер. с англ. / Р.Толмен; Под ред. Я.А.Смородинского. - М. : Наука, 1974. - 520с. Ранцини Ж. Космос. Сверхновый атлас Вселенной: иллюстрированный справочник с картами созвездий / Ж. Ранцини ; [пер. с ит.Г. Семеновой]. - М. : Эксмо, 2008. - 216 с. : ил.

5. Содержание: 1.Основные космологические факты. 2.Общая теория относительности. Искривление пространства. 3.Расширение Вселенной. Космологические модели Фридмана. 4.Большой взрыв. Модель раздувающейся Вселенной де Ситтера – Гута. 5.Эволюция горячей Вселенной. Реликтовое излучение. 6.Самоорганизация Вселенной. Крупномасштабные структуры Вселенной.

6. 1. Основные космологические факты 1. Однородность и изотропность Вселенной в мегамасштабе. 2. Одинаковый химический состав во всех частях Вселенной (метагалактики): 90% атомов водорода и 10% атомов гелия (по массе 75% Н – 25% Не). 3. Расширение Вселенной. 4. В метагалактике присутствуют только частицы (вещество) и отсутствуют античастицы (антивещество). 5. Наличие фонового (реликтового) электромагнитного излучения с температурой 2,7 К ( λm = 0,15 см) и высокой степенью однородности и изотропности (ΔI/I= 10-4), заполняющего все мировое пространство (Нобелевские премии). 6. Скопления галактик. Сотовая (ячеистая) структура Вселенной. 7. Рождение и гибель звезд. 8. Существование физического (квантового) вакуума.

7. 2. Общая теория относительностиИскривление пространства Структура уравнений ОТО Материя, энергия Искривленное пространство–время В 1915 г. А. Эйнштейн создал общую теорию относительности – релятивистскую теорию гравитации Эйнштейн: «Если в теории Ньютона убрать материю — останутся пространство и время. Если из моей теории убрать материю — исчезнут и пространство, и время».

8. Основные следствия ОТО: вблизи массивных тел пространство искривляется, а ход времени замедляется. В 1919 г. искривление пространства было обнаружено экспериментально. Рис. 1. Искривление пространства: а – неискривленное;б – искривленное; в – замкнутое

9. “Покой нам только снится”. В 1922 г. А.А. Фридман, исследуя уравнения ОТО Эйнштейна, показал, что они приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной: Вселенная не может существовать в статическом состоянии – она обязана расширяться. Характер расширения однородной и изотропной Вселенной определяется средним значением плотности материи во Вселенной. 3. Расширение вселенной. Космологические модели фридмана rAB 2 к к=10 –29 г/см3 3 Рис. 2. Космологические модели Фридмана M к 1 0 Большой взрыв t tBc= 13,7млрд. лет

10. В 1929 г. Э. Хаббл по красному доплеровскому смещению спектров излучения галактик экспериментально подтвердил теоретические предсказания А. Фридмана. Закон Хаббла: υ = Н·r, Н = (76 ± 20) км/с·Мпс Время существования Вселенной tВс= = 13,7 млрд. лет Наблюдаемая плотность Вселенной ρ = ρвещ + ρэми + ρν = 0,1 ρк. Темная материя?!

11. +e B A ● ● –e «Пузырь хохотал-хохотал, дулся-дулся – да и лопнул». Большой взрыв. Что же произошло 15 млрд. лет тому назад? Что взорвалось? Как взорвалось? Что было до Большого взрыва? Физический вакуум – квантовая динамическая система (среда), заполняющая однородно все мировое пространство, представляющая собой бесконечную совокупность актов самопроизвольного рождения и аннигиляции виртуальных пар частица-античастица. 4. Большой взрыв.

12. υ >> c r > r0 = 10 –33см E2 E1 а б в г д Флуктуации ФВ. Уравнение состояния ложного ВФ Модель де Ситтера (1917 г.) – Гута (1980 г.) Большой взрыв – фазовый переход: избыточная гигантская энергия “раздувшегося пузыря” превращается в горячую (Т0 =10^32 К), сверхплотную (ρ0 = 10^93 г/см^3) Вселенную с массой m = ΔЕ/с^2.Фрагментация Вселенной – одновременно Вселенная распадается на отдельные области, одна из которых приобретает свойства четырехмерного пространства-времени.Дальнейшее развитие Метагалактики происходит по сценарию Фридмана.

13. ρ, г/см3 10–21 вещ 10–30 г/см3 изл 10–34 г/см3 0 106 н.в. t,годы “Чем дальше в лес – тем больше дров”. “Начало”: to = 0; To= 10^32 К; ρo= 10^93 г/см^3. Состав: 80% жесткого ЭМИ, 20% нейтрино, 0,00001%вещества. 5. Эволюция горячей вселенной.Реликтовое излучение Число частиц равняется числу античастиц. При ρ = ρяд = 1014 г/см3, t = 10-4 с, Т = 1012 К. Изменение плотности материи во времени

14. Зная ρ(t) и Т(t) можно рассчитать ядерные процессы, т.е. эволюцию горячей Вселенной.Барионная асимметрия. При t = 10^-16 с нарушается симметрия: на 1000000001 частицу приходится 1000000000 античастиц. В интервале температур Т = 10^42 ÷ 10^10 К (t = 10^-4 ÷ 10^-3 с) происходит поэтапная аннигиляция частиц и античастиц (нуклон-антинуклон, мезон-антимезон, электрон-позитрон) с образованием гамма-квантов и нейтрино.Наш мир – результат самоорганизации оставшейся одной миллиарднойчасти первичного вещества!Если бы не барионная асимметрия – сегодня наш мир представлял собой холодный газ фотонов и нейтрино.

15. Теория горячей Вселенной Гамова (1948 – 1952 г.г.) 1.Момент времениto= 0: Tо = 1032 К; ρо = 1093 г/см3 2.Момент времениtν= 0,3 с:Tν= 3·1010 К; ρν=107 г/см3. Отрыв нейтрино от вещества. 3. Момент времениtα = 100 с: Tα = 109 К; ρα = 102 г/см3. Первичный нуклеосинтез. При T > 1010 К ядерные реакцииобратимы. При T < 1010 К ядерной реакции смещаются “влево” (mn> mp) и при T = 109 К устанавливается соотношение 95% протонов и 5% нейтронов. Далее происходит первичный нуклеосинтез: 95% p + 5% n → 90% H + 10% Не (по массе 75% Н + 25% Не) Состав Вселенной: электронейтральнаявысокотемпературная водородо-гелиевая плазма + газ фотонов + газ нейтрино.

16. 4. Момент времениtγ= 10^6 лет: Tγ = 3000 К; ργ = 10^-24 г/см^3. Рекомбинация: водородно-гелиевая плазма → водородно-гелиевый газ! Электроны прочно соединяются с ядрами. “Просветление” Вселенной. «Да будет свет» 5. Реликтовое излучение. Ттеор. = (3-4) К, λm=0,2 см. А. Пензиас и Р. Вильсон в 1962 г. экспериментально обнаружили реликтовое излучение. Тр = 2,7К, λm = 0,15см. Вселенная – две слабо взаимодействующие системы: идеальный газ атомов и идеальный газ фотонов. 106 104 102 1 10-2 10-1 1 ,см 10 102 103 Рис. 4. Распределение интенсивности в спектре реликтового излучения

17. “Гори-гори, моя звезда”. 1. До “просветления” эволюция Вселенной проходила равновесно путем последовательных ядерных реакций, глобально охватывая всю Вселенную как целое. 2. После рекомбинации ситуация изменилась. Возникли две фазы: вещество и излучение с разными температурами и давлениями. Теорема о гравитационной неустойчивости: “Однородная среда, части которой связаны только силами тяготения, неустойчива относительно любых сколь угодно малых флуктуаций плотности”. Еще в 1692 г. И. Ньютон писал: “Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно по бесконечному пространству и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды”. Гениальная догадка! 6.Самоорганизация вселенной. Крупномасштабные структуры вселенной

18. Критическая длина и масса Джинса (1902 г.). Если r >> rДж – происходит каскадная фрагментация сгущения. Если r ≈ rДж – фрагментация сгущения ослаблена. Две модели флуктуаций плотности вещества во Вселенной 1. Неоднородности возникают в дорекомбинационный период с Δρ/ρ ≈ 10^-4 на стадии плазмы за счет “вкраплений” гелия в водородную среду (компьютерное моделирование). В каждой такой неоднородности mфл ≈ (10^12 – 10^15) М☼ >> . Из таких неоднородностей формируются галактики эллиптического типа (рис. 5). 2. Флуктуации плотности в неравновесных условиях после рекомбинации: Δρ/ρ ≈ 10^-4, mфл ≈ 10^5 М☼ ≈ . Из таких неоднородностей формируются шаровые скопления N ≈ 10^5 звезд. Из них — спиральные галактики.

19. Эволюция звезд Первичные звезды. Газовое уплотнение – протозвезда – звезда. Термоядерная реакция: водородно-гелиевый цикл Время жизни звезды: М1= 30 М☼, τ = 30·10^6 лет; М2= М☼, τ = 10·10^9 лет; М3= 0,5 М☼, τ = 10^11 лет.Эволюция ядра звезды: 1.р + р → Не (голубая звезда). 2. Красный гигант R ≈ 10^2 R0. 3. Не + Не + Не → С. И т.д. до железа. Всё! Элементы тяжелее гелия – “зола и шлак звездных костров”.

20. “Участь” ядра звезды: 1. Мяд ≤ 1,2 М☼ – белый карлик. 2. 1,2 М☼ ≤ Мяд ≤ 3 М☼ – взрыв, сверхновая, нейтронная звезда. 3. Мяд ≥ 3 М☼ – черная дыра. Образование звезд второго и последующего поколений.Происхождение солнечной системы (компьютерное моделирование). 1.L > L☼ – неустойчивое кольцо (кратные звездные системы). 2.L < L☼– одиночная звезда. 3.L ≈ L☼– планетарная система.Солнечная система: М☼ = 0,99 М Солн. сист.L☼ = 0,01 LСолн. сист.Эволюция протопланетного облака (рис. 6).

21. Рис. 5. Каскадная фрагментация материи во Вселенной Метагалактика Протоскопление (“блин Зельдовича”) Протозвезда Протогалактика Звезда Черныш Роман Игоревич ВМ-08-01 Вторичная звезда Протопланетное кольцо Протопланетный газовопылевой диск Планета Протоядро планеты Комета Рис. 6. Эволюция протопланетного облака

22. Рекомендуемая литература Горелов А. А. Концепции современного естествознания – учебное пособие для студ. Вузов. - М.: Юрайт-Издат, 2009. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания учебное пособие для студ. вузов – - 8-е изд.,стереотип. - М. : Академия, 2008 Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания практикум : учебное пособие для студ. вузов – - 4-е изд., испр. - М. : Высш. шк., 2007. Родкина Л. Р., Шмакова Е. Э. Практикум по концепциям современного естествознания. Ч. 1: Точное естествознание. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2002 Родкина Л. Р., Шмакова Е. Э. Практикум по концепциям современного естествознания. Ч. 2: Происхождение жизни. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003 Савченко В. Н., Смагин В. П. Начала современного естествознания: концепция и принципы: учебное пособие для гуманитар. и социал. - экон. спец. вузов и обучающихся по дистанционным технологиям. - Ростов н/Д : Феникс, 2006.

23. Автор благодарит д.ф.-м.н., профессора ТОВМИ им. С.О. Макарова • Осуховского Валерия Эдуардовича за предоставленный материал. Использование материалов презентации Использование данной презентации, может осуществляться только при условии соблюдения требований законов РФ об авторском праве и интеллектуальной собственности, а также с учетом требований настоящего Заявления. Презентация является собственностью авторов. Разрешается распечатывать копию любой части презентации для личного некоммерческого использования, однако не допускается распечатывать какую-либо часть презентации с любой иной целью или по каким-либо причинам вносить изменения в любую часть презентации. Использование любой части презентации в другом произведении, как в печатной, электронной, так и иной форме, а также использование любой части презентации в другой презентации посредством ссылки или иным образом допускается только после получения письменного согласия авторов.