• Jak powstał ?

• Jaka jest jego wielkość ?

• Jaki jest jego wiek ?

Autor:

Adres Autora:

Szkoła:

XXXV Liceum Ogólnokształcące

Im. Króla Stefana Batorego

Klasa IB o profilu „Kultura starożytna - Humanistyka”

Adres Szkoły:

Opiekun Pracy:

Literatura:

1. Eugeniusz Rybka „Astronomia Ogólna” 1983r.

2. Bohdan Paczyński i Bożena Muchotrzeb „Granice Wszechświata” 1981r.

3. Praca zbiorowa „Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich - Fizyka” 1987r.

4. K. Foulds „Phisics” 1996r.

5. Informacje uzyskane z internetu. 2001r.

-1-

Spis treści:

1. Spis treści.

2. Przedmowa.

3. Rozwój pojęć kosmologicznych przed Mikołajem Kopernikiem.

4. Istota kosmologii Kopernika.

5. Odkrycia naukowców i przeprowadzone nad nimi badania.

• Prędkość ekspansji Wszechświata (stała Hubble'a).

• Aktualna średnia gęstość Wszechświata.

• Wiek Wszechświata.

• Wielkość Wszechświata.

9) Współczesne poglądy kosmologiczne.

• Wielki Wybuch.

12) Słownik pojęć.

-2-

Przedmowa

Jak powstał Wszechświat? Czy kiedyś przestanie istnieć? Jaki jest wielki? Czy jest nieskończony i wieczny? Pytania te zadają sobie ludzie od tysiącleci, próbują znaleźć na nie odpowiedź, od zawsze pragnęli odsłonić tajemnicę świata, nie czekając aż posiądą konieczną do tego wiedzę i umiejętności.. Do czasów Kopernika problematyka ta niewiele miała wspólnego z nauką, była raczej przedmiotem wierzeń religijnych lub dyskusji filozoficznych. Wszystkie kultury, wszystkie religie próbowały na swój sposób ją objaśnić. Dziś współczesna nauka na wiele z tych pytań potrafi udzielić satysfakcjonujące odpowiedzi nie mniej jednak zagadnienia te wywołują w dalszym ciągu szereg dyskusji i spekulacji. Kosmologowie przyjmują różne postawy wobec zagadek wszechświata. Szereg teorii pojawia się, ulega modyfikacji i czasami znika, a fakty dostarczane przez coraz to wymyślniejsze urządzenia badawcze zaskakują i czasem pozornie przeczą zdrowemu rozsądkowi, tworząc coraz gęstsze sito dla tych teorii. Dlatego postanowiłem wybrać najbardziej prawdopodobne hipotezy i je przedstawić. Czerpiąc wiadomości z fachowej literatury i dzieląc zdanie ze specjalistami w swojej dziedzinie. Oczywiście nie używając zaawansowanego języka matematycznego, którego jeszcze nie poznałem: (Metryki Robertsona-Walkera, rachunek tensorowy, geometrii hiperpowierzchni w przestrzeni Minkowskiego, teorii równań Einsteina itd.).

-3-

Rozwój pojęć kosmologicznych przed Mikołajem Kopernikiem

Najwcześniejsze wyobrażenia o Wszechświecie, jego wielkości i początkach pojawiły się w mitologiach różnych ludów i narodów np. w mitologii greckiej na początku był Chaosu z którego wyłoniły się dwa bóstwa: Gaja - Ziemia i Uranos - Niebo, a w księdze genesis, która jest podstawą chrześcijańskich wierzeń, świat był wielką pustką, ciemnośći okrywał ocean; wystarczyło jedno słowo Boga: „Niechaj się stanie światłość. I stała się światłość. Bóg widząc, że światłość jest dobra, oddzielił ją od ciemności” - tak powstał dzień i noc, a w końcu powiedział „Uczyńmy człowieka na nasz obraz”. Ludzie zawsze lubili opowiadać o stworzeniu świata... Aż pojawiły się pierwsze przypuszczenia naukowe całkowicie odbiegające od dotychczasowych wierzeń ludowych.

Pierwsze takie myśli naukowe o budowie Wszechświata wypowiedzieli filozofowie greccy. Niektórzy z nich np. Leukipp i Demokryt uważali, że Wszechświat zajmuje przestrzeń nieskończoną, pitagorejczycy uczyli o ruchu Ziemi dokoła Słońca, który to pogląd znajdujemy również u Arystarcha z Samos. Jednak starożytni Grecy, a za nimi Rzymianie przyjęli powszechnie model geocentryczny Ptolemeusza. Zgodnie z fizyką Arystotelesa ciężka Ziemia, ku której miały dążyć wszystkie ciała ciężkie, zajmowała środek świata. Dalej były kolejne sfery zajmowane przez Księżyc, Słońce i planety, a dalej tzw. sfera gwiazd stałych. Zasadniczym problemem ówczesnej kosmologii stało się właśnie wyjaśnienie ruchu planet, których układ stanowił dla uczonych starożytności najważniejszą część wszechświata.

-4-

Istota kosmologii Kopernika

Kosmologia oparta na „Almageście” Ptolemeusza przetrwała w nauce do XVI wieku. Dopiero Mikołaj Kopernik przedstawił nowy pogląd na temat teorii budowy świata. Zasadniczym postulatem kosmologii kopernikańskiej jest założenie że Ziemia nie zajmuje wyróżnionego położenia we Wszechświecie. Kopernik przy opracowywaniu swej teorii budowy świata wyszedł z założenia, że ciała niebieskie podlegają niewzruszonej i powszechnej zasadzie ruchów kołowych, odbywających się z jednostajną prędkością. Zasadę tę przeprowadzał konsekwentnie, umieszczając Słońce w środku świata, przez co uzyskał bardziej harmonijną budowę świata niż to osiągnął Ptolemeusz w swej geocentrycznej teorii. Drugą zasadą kosmologiczną jest zaprzeczenie w „De Rovolutionibus” twierdzeniu Cycerona (W dziele pt. „Republika” (Sen Scypiona) Cyceron powiedział, że Wszechświat oglądany z innej planety niż Ziemia wygląda inaczej), Kopernik stwierdził że: Wszechświat z każdego swojego miejsca wygląda tak samo. Tym samym stworzył podstawę wszystkich teorii kosmologicznych.

-5-

Odkrycia naukowców i przeprowadzone nad nimi badania

Do doświadczeń Michelsona, który mierzył prędkość światła, newtonowska teoria grawitacji dobrze opisywała obserwowany z Ziemi Wszechświat, który jawił się naukowcom jako stacjonarny, izotropowy i zachowujący metrykę trójwymiarowej przestrzeni Euklidesowej. Niestety prędkość światła okazała się graniczna (teoretycznie nie można jej przekroczyć tzn. np. światło z semafora ma taką samą prędkość co światło z pędzącego z dużą prędkością pociągu). Dopiero Einstein rozwiązał problem tworząc Ogólną Teorię Względności. W tej teorii budowę całego Wszechświata ukazuje układ równań.

W obrazie kosmologicznym galaktyki są strukturami o bardzo małej skali, zwykłymi atomami w większym Wszechświecie. Nawet gromady galaktyk, które mogą mieć tysiące członków, są zwykłymi fluktucjami gęstości. Nasze teleskopy są w stanie widzieć do odległości rzędu
; średnia gromady galaktyk, typowo
, jest o wiele mniejsza. Stwierdza się, uśredniając po odległościach, powiedzmy
, że Wszechświat wydaje się wszędzie taki sam. Wydaje się, że Wszechświat w dużej skali ma wszędzie taką samą gęstość. Gęstość ta jest znana bardzo niedokładnie. Wynosi przynajmniej
, lecz może być istotnie większa. Jest to niepewne, możemy bowiem mierzyć wprost tylko tę materię, która wysyła do nas promieniowanie elektromagnetyczne. Są pośrednie wskazania, że ilość "ciemnej" materii może znacząco przewyższać
. Jeśli weźmiemy tę gęstość, to
staje się równe R dla
Możemy z pewnością badać obiekty takie jak kwazary na odległościach tego rzędu, więc żeby zrozumieć Wszechświat, który ukazują nam nasze teleskopy, potrzebujemy Ogólnej Teorii Względności.

Na stan dzisiejszy przyjmuje się powszechną akceptację teorii Wielkiego Wybuchu. Natomiast podstawowymi zagadnieniami współczesnej kosmologii jest poznanie wartości liczbowych następujących parametrów:

1. prędkość ekspansji Wszechświata.

2. aktualna średnia gęstość Wszechświata.

3. wiek Wszechświata.

4. wielkość Wszechświata.

-6-

Parametry te są ze sobą powiązane i choć zaznaczył się znaczny postęp w ich poznawaniu to nie zostały jednak poznane z dostatecznym stopniem zaufania do wyznaczonych liczbowych wartości. Na stan dzisiejszy wydaje się że najlepiej poznane zostało prawo Hubble'a, które obecnie leży u podstaw współczesnej kosmologii. Mówi ono, że Wszechświat rozszerza się! Edwin Hubble (amerykański obserwator 1889-1953) stwierdził, że wszystkie odległe galaktyki oddalają się od nas. Im galaktyka jest dalsza, tym szybciej ucieka, z prędkością wprost proporcjonalną do swej odległości. To właśnie oznacza, że Wszechświat rozszerza się, jakby puchnie, wciąż zwiększając odległości pomiędzy gromadami galaktyk. Tempo w jakim to następuje, określa stała Hubble'a, niezwykle trudna do wyznaczenia. Po długich i starannie przeprowadzonych badaniach amerykański astronom Allan Sandage stwierdził, że najprawdopodobniej wartość tej stałej wynosi 50,3±4,2 km/s na Mps. Natomiast ostatnie badania z 1994 r. donoszą, że stała ta wynosi 70 do 80 km/s na Mps., co prowadzi do określenia wieku Wszechświata na ok. 14 mld. lat.

Większość ludzi słysząc, że odległe galaktyki oddalają się od naszej Galaktyki, sądzi że znajdujemy się w wyjątkowym miejscu we Wszechświecie. Z drugiej strony, od czasu gdy Kopernik usuną Ziemię ze środka Wszechświata, takie poglądy o położeniu naszej Galaktyki w środku Wszechświata są „potępiane” przez astronomów. Pewna z zasad kosmologicznych głosi że Wszechświat z każdego swojego miejsca wygląda tak samo. Czy można to pogodzić z obserwacjami, z których wynika, że galaktyki od nas „uciekają”? Otóż okazuje się że można. Prawo Hubble'a obowiązuje każdego obserwatora na każdej galaktyce. Przedstawię to za pomocą rysunku 1.1. Rysunek B jest dwukrotnym powiększeniem skali rysunku B. Wszystkie odległości wzrosły dwukrotnie. Czyli obiekty odległe o jeden centymetr musiały oddalić się tylko o jeden centymetr, a te odległe o jeden kilometr - w tym samym czasie - aż o jeden kilometr, musiały się więc oddalić z prędkością 100 tys. razy większą.

-7-

Rys. 1.1 - Schematyczne rysunki A i B przedstawiają rozszerzający się Wszechświat. Poszczególne punkty przedstawiają różne galaktyki lub różne gromady galaktyk. Obserwator przebywający w dowolnym punkcie (oznaczonym na rysunkach kółkiem) stwierdzi, że wszystkie pozostałe punkty oddalają się od niego z prędkością proporcjonalną do ich odległości.

Jeżeli więc początkowa odległość wynosi x, a nowa, powstała po czasie T, jest równa 2x, to prędkość oddalania się pary punktów wynosi:

A więc wzajemne oddalanie się obiektów zachodzi z prędkością wprost proporcjonalną do ich odległości. Wygląd rysunku zupełnie nie zależy od tego, który punkt w czasie powiększenia skali uznamy za nieruchomy. Podobnie prawo Hubble'a nie wyróżnia naszej Galaktyki. Obserwator w każdej innej galaktyce zobaczy dokładnie to samo zjawisko ucieczki galaktyk, a więc stwierdzi, że w otaczającym go Wszechświecie obowiązuje prawo Hubble'a.

Znajomość trzeciego parametru, średniej gęstości materii we wszechświecie, jest niezmiernie istotna do wyciągnięcia wniosku, czy wszechświat należy uważać za otwarty, stale rozszerzający się, czy też zamknięty, który po pewnym czasie zacznie się kurczyć. Pierwszy przypadek zachodziłby, gdyby ta średnia gęstość była mniejsza od krytycznej, przewidzianej przez teorię i wynoszącej
, drugi - gdyby była od niej większa. Dotychczasowe badania zdają się wskazywać na fakt, że średnia gęstość materii we wszechświecie jest znacznie mniejsza od krytycznej, wszechświat przeto uważać należy za otwarty, rozszerzający się stale bez tendencji do zahamowania i zmiany rozszerzania na kurczenie. Ewolucja wszechświata wydaje się być jednokierunkowa.

-8-

Czwarty parametr, wiek wszechświata, wiąże się ściśle ze stałą Hubble'a. A dokładnie z jej wartością do niedawna twierdzono że wartość tej stałej wynosi ok. 50 km/s na Mps., dzisiejsze badania (przeprowadzone w 1994r.) potwierdzają że stała ta wynosi od 70 do 80 km/s na Mps. Z czego wynika że wiek wszechświata szacowany jest na ok. 10-15 miliardów lat.

Jak wielki jest Wszechświat?

Najbardziej odległe obiekty, które astronomowie mogą obserwować, to kwazary, a najdalsze z nich wydają się być oddalone ok. 14 miliardów lat świetlnych. Nie wiedzą jednak co jest dalej, nie są więc w stanie powiedzieć jak wielki jest Wszechświat.

Rys. 1.2 - Przedstawia kres Wszechświata dostępnego obserwacjom.

-9-

Współczesne poglądy kosmologiczne

Wielki Wybuch (z angielskiego Big Bang), początek czasu, przestrzeni i materii tworzącej Wszechświat. Istnienie Wielkiego Wybuchu jako pierwszy postulował w 1947 G. Gamow. Podstawę idei Wielkiego Wybuchu stanowił model rozszerzającego się Wszechświata opracowany w 1920 przez A.A. Friedmana. Obecnie Wielki Wybuch jest powszechnie akceptowaną, choć ciągle udoskonalaną hipotezą kosmogoniczną. Najbardziej przekonywujący dowód na poparcie tej hipotezy, już wcześniej wynikającej z teorii względności Alberta Einsteina, a następnie potwierdzonej na podstawie obliczeń astronomicznych, zdobyli w 1965 r. dwaj radioastronomowie amerykańscy: Arno Penzias i Robert Wilson, którzy w 1978 r. otrzymali za swoje odkrycie Nagrodę Nobla. Stwierdzili oni słaby, biegnący ze wszystkich stron, szum, tzw. mikrofalowe promieniowanie tła, w którym rozpoznali echo Big Bang'u (Wielkiego Wybuchu) - promieniowania wyemitowanego w przestrzeń kosmiczną przez wybuch pierwotnego jądra, który zapoczątkował Wszechświat.
Różnorodne reakcje nuklearne, towarzyszące stopniowemu ochładzaniu się kuli pierwotnego ognia, doprowadziły do powstania materii, najpierw w formie wodoru, który znacznie poźniej dał początek gwiazdom i galaktykom. Wszystko zdaje się potwierdzać, że Wszechświat jest w trakcie ekspansji, a jego poszczególne części oddalają się od siebie z ogromną prędkością. Jeżeli opierając się na tej obserwacji, spojrzymy wstecz, to wywnioskujemy, że dawno temu galaktyki musiały znajdować się bliżej siebie, a jeszcze wcześniej tworzyły jedno, bardzo gęste, osobliwe jądro. Zawierało ono nie tylko całą materię i trójwymiarową przestrzeń, ale także wymiar czasu( zgodnie z rewolucyjną teorią przestrzeni i czasu Einsteina, wg której

-10-

materia w ekspandującym Wszechświecie nie porusza się w przestrzeni, lecz w czasoprzestrzeni).
W pewnym momencie cały Wszechświat zaczął się rozszerzać poczynając właśnie od tego centralnego jądra. A zatem galaktyki składające się z systemów gwiezdnych oraz chmur pyłu i gazów, są pozostałością gorącego materiału rozrzuconego w wyniku wybuch osobliwego jądra, będącego źródłem Wszechświata. Nasz własny układ Drogi Mlecznej stanowi typową galaktykę zawierającą miliardy gwiazd obiegających powoli centralne jądro.

Pozostałości po Wielkim Wybuchu

Jeśli Wielki Wybuch naprawdę się zdarzył, to powinien postawić po sobie słabe fale radiowe w całym Kosmosie. 1965r. wykryto za pomocą pomiarów radio-astronomicznych tła nieba istnienie w przestrzeni kosmicznej cieplnego promieniowania, odpowiadającego temperaturze 3 K.. Promieniowanie to otrzymało nazwę reliktowego, czyli szczątkowego. Nie stanowi to jeszcze ostatecznego dowodu teorii Wielkiego Wybuchu, lecz jest bardzo ważną podstawą do jej sformułowania.

Kosmiczna eksplozja

Pierwotnym trwałym składnikiem Wszechświata był najprostszy pierwiastek - wodór. Reakcje nuklearne zachodzące podczas Big Bang'u przekształciły jedną piątą początkowo występującego wodoru w kolejny pierwiastek - hel. Pierwsze gwiazdy składały się więc w 80% z wodoru i w 20% z helu. Wszystkie pozostałe składniki Wszechświata, włącznie atomami pierwiastków cięższych, jak węgiel i tlen, zostały wytworzone podczas dalszych reakcji nuklearnych. Wybuch gwiazdy (zjawisko dosyć rzadkie w odniesieniu do tzw. nowych i niezwykle rzadkie jeśli chodzi o supernowe) emituje więcej energii niż miliard słońc i rozsiewa w przestrzeni kosmicznej materię, która zostanie użyta do formowania nowych gwiazd lub planet. Nowe gwiazdy powtarzają ten sam cykl ewolucyjny, tworząc inne ciężkie pierwiastki.

-11-

Dzisiejsze ciała gwiezdne są więc w dużej mierze wynikiem gwałtownych zjawisk gwiezdnych, nieustannie zachodzących we Wszechświecie. Astronomowie zarejestrowali nie tylko wybuchy poszczególnych gwiazd, ale również eksplozje na tak szeroką skalę, że skutki ich dotknęły całe galaktyki. W ten sposób została całkowicie odrzucona dawna wizja Wszechświata jako przestrzeni stabilnej i niezmiennej.

-12-

Słowniczek pojęć.

Dopplera zjawisko (efekt) - zmiana obserwowanej częstości fali wywołana względnym ruchem źródła fali i odbiornika. W optyce, tj. dla fal elektromagnetycznych, stosuje się ujęcie relatywistyczne zjawiska Dopplera.

Hubble'a prawo - prawo określające wielkość przesunięcia ku czerwieni wszystkich linii i pasm w widmach obserwowanych galaktyk. Przesunięcie z jest wprost proporcjonalne do odległości r tych galaktyk.

gdzie:
- Stała Hubble'a,

c - prędkość światła w próżni,

- długość fali promieniowania odbieranego przez obserwatora,

- długość fali promieniowania emitowanego przez galaktykę.

Na podstawie zjawiska Dopplera można napisać:

gdzie: v - prędkość oddalania się galaktyk od obserwatora.

Jeżeli przyjąć, że stała Hubble'a nie zmienia się w czasie, to wielkość
lat określa wiek Wszechświata.

Kosmologia - dział astronomii związany ściśle z fizyką, którego przedmiotem badań jest Wszechświat jako całość. Kosmologia opiera się na badaniach części Wszechświata dostępnej obserwacjom astronomicznym i opisuje oddziaływanie mas oraz ich ruchu w przestrzeni kosmicznej, jej własności geometryczne, a także zjawiska fizyczne zachodzące we Wszechświecie. Głównym zadaniem kosmologii jest stworzenie modelu Wszechświata, w którym zachodziłyby wszystkie obserwowane zjawiska. Współczesna kosmologia przyjmuje model Wszechświata ewoluującego, którego podstawą stały się odkrycia promieniowania reliktowego. Materię rozpatruje się w nim jako ośrodek ciągły, wypełniający Wszechświat i mający ciągłe pole prędkości mniejszych od prędkości światła w próżni. Interesującym problemem kosmologii jest przyszłość Wszechświata. Jeżeli masa Wszechświata będzie większa od masy krytycznej to Wszechświat zacznie się kurczyć, co spowoduje zwiększenie się gęstości i temperatury materii, a to może wywołać kolejny wielki wybuch.

Materia - wszystkie obiekty fizyczne posiadające niezerową masę (lub, ze względu na zasadę równoważności masy i energii, niezerową energię), a więc cząstki i pola fizyczne.

Parsek - jest to jednostka długości często używana przez astronomów.

1 parsek (1ps) = 3,26 lat świetlnych

Rok świetlny - astronomiczna jednostka długości równa odległości, jaką przebywa światło w próżni w ciągu jednego roku zwrotnikowego, rok świetlny równy jest 9,4605×10¹²km = 6,3281×10⁴ AU.

Względności teoria ogólna, OTW - współczesna teoria, grawitacji tłumacząca zjawiska grawitacyjne geometrycznymi własnościami zakrzywionej czasoprzestrzeni. Jej podstawowe idee (wynikające z rozważań nad zasadą równoważności oraz z dążenia do uniezależnienia opisu zjawisk od układu odniesienia) sformułował A. Einstein.

---