Häädemeeste
Keskkool
Kosmoloogilised
alused ehk universumi
tekkimine ja areng
Füüsika
referaat.
Häädemeeste
2008
SISUKORD1.Kosmoloogiline
printsiip
2.Suur
pauk 3.Suure
paugu teooria kronoloogia
4.Antroopsusprintsiip
5.Heisenbergi
määramatusprintsiip
6.
Täielik
kosmoloogiline printsiip ja kosmoloogilise printsiibi võimalik
rakendatavus aja suhtes
7.Läbipaistev
universum
8.Kasutatud
kirjandus
Kosmoloogiline
printsiipTegelikult
me teame, mis on lõpmatu ruum. Me tajume ruumi nägemismeele abil ja
lõpmatu on see ruum, kus igast meile nähtavast esemest kaugemal
(tagapool) on veel teisi esemeid.
Me
ei saa näha kõiki lõpmatus ruumis olevaid asju, järelikult ei saa
me neid ka tundma õppida. Kuigi maailm on lõpmatu, näeme me temast
siiski vaid lõplikku osa. See, mida me näeme (
galaktikad ) on kõigis
suundades ja kõigil kaugustel ühesugune. Meil pole mingit põhjust
oletada, et veel kaugemal see olukord muutuks. Järelikult võime oma
mõttekäikudes lähtuda eeldusest, et maailm on kõikjal ühesugune.
Ja veel, et olla lõpuni
materialist ja eitada
jumaliku loomis-akti
võimalikkust, tuleb oletada, et ta on seda alati olnud. See ongi
kosmoloogia aluspostulaat, nn.
kosmoloogiline
printsiip.
Selle esimesed alged on kirjas T. Lucretiuse (99-55 e.Kr.)
didaktilses poeemis "De
rerum natura" (Asjade olemusest);
Tänapäevane formuleering pärineb Giordano Brunolt ("Lõpmatusest,
Universumist ja maailmadest", 1584):
Universum on oma kõigis punktides keskmiselt ühesugune, sarnanedes meile nähtava Universumi osaga.
Universum on kõigil ajahetkedel olnud keskmiselt ühesugune, sarnane meie poolt käesoleval momendil nähtava Universumiga.
See
on täielik kosmoloogiline printsiip; punkt üks väljendab tema
ruumilist, punkt kaks ajalist osa. Eristatakse ka osalist
kosmoloogilist printsiipi, mis nõuab vaid ruumilist ühtlust,
lubades ajalist arengut.
Kosmoloogiline
printsiip ei nõua, et maailm peaks antud hetkel paistma kõigis
suundades ühesugusena. Ta ei saagi seda nõuda, kuna tegelikult
sellist asja ei ole. Kosmoloogiline printsiip on veendumus , et igale
galaktikatega tihedamalt kaetud piirkonnale järgneb kaugemal hõredam
piirkond, ja ümberpöördult. Galaktikad võivad isegi ükskord otsa
lõppeda (seni pole seda küll näha), aga siis me usume, et sellega
lõpeb vaid üks kosmilise hierarhia aste, üli- või metagalaktika,
ning sellele järgneb jällegi ruum, mis on täidetud samasuguste
metagalaktikatega. See pole väljamõeldis, vaid inimkonna kogemuse
üldistus: uskus ju Bruno , et kosmoloogiline printsiip käib tähtede
kohta, galaktikatest ei teatud tol ajal veel midagi.
Suur
pauk
Suur
Pauk (inglise
keeles Big Bang )
oli hüpoteetiline sündmus umbes 13,7 miljardit aastat tagasi:
universum hakkas
kujuteldamatult tihedast
olekust plahvatuslikult paisuma .
Seda loetakse kosmoloogia standardmudelis
universumi alguseks.
Suure
Paugu teooria käsitleb ka
universumi varajast arengut pärast Suurt Pauku .
Suur
Pauk ei olnud " plahvatus " olemasolevas ruumis,
vaid mateeria ,
ruumi ja aja ühine
tekkimine
algsest singulaarsusest.
Paisumine on vaadeldav Hubble'i
seose kaudu, mis ütleb, et mida kaugemal mingi galaktika meist on, seda kiiremini ta meist eemaldub.
Suurest
Paugust umbes 300 000 aasta võrra hilisemast seisundist annab
tunnistust kosmiline
mikrolainetaust ehk reliktkiirgus : tol ajal omandasid
mikrolainetausta footonid
absoluutselt
mustale kehale omase kiirgusspektri.
Suure
Paugu teooria on kosmoloogias
valdav teaduslik teooria
Universumi
varajase arengu kohta. Ta põhineb sellel, et vaadeldavast
galaktikate üksteisest eemaldumisest saab üldrelatiivsusteooria
järgi ekstrapoleerida
universumi varajase oleku. Selgub , et mida kaugemale ajas tagasi
minna, seda kuumemaks ja tihedamaks universum osutub.
Suure
Paugu teooria kohaselt on universumi praegune seisund erinev tema
kunagisest ja tulevasest seisundist. Kunagi oli aine
universumis nii kuum ja tihe, et valgus
ei saanud kosmoses vabalt levida . Juba 1940.
aastatel esitati teoorial põhinev oletus, et see on tekitanud
mikrolainetausta.
1960. aastatel
see nähtus avastatigi, mis tõi kaasa Suure Pauguga konkureeriva
statsionaarseisundi
teooria populaarsuse järsu languse.
Kui
tänapäeva füüsikateooriaid kasutades universumi Hubble'i paisumisest tagasi ekstrapoleerida, jõutakse gravitatsioonilise
singulaarsuseni, kus kõik kaugused
muutuvad nulliks ning
kõik temperatuurid
ja rõhud
muutuvad lõpmatuks.
Mis on selle füüsikaline
mõte, see pole selge. Paljude füüsikute arvates on asi selles,
et meie arusaamine füüsikaseadustest
on puudulik, eriti annab tunda kvantgravitatsiooni
teooria puudumine.
Väljendi
"Suur Pauk" võttis kasutusele Fred
Hoyle, kes tahtis näidata Suure Paugu teooria usutamatust.
Suure
Paugu teooria kronoloogia
- 1915 – Albert Einstein avaldas üldrelatiivsusteooria, millest sai paisuva Universumi kontseptsiooni teoreetiline alus. Einstein oli aga algul veendunud, et Universum on staatiline, mistõttu ta lisas üldrelatiivsusteooria väljavõrranditesse kosmoloogilise konstandi, mis tagas vastava lahendi. Hiljem nimetas ta seda sammu oma elu suurimaks rumaluseks.
- 1916 – Karl Schwarzschild leidis väljavõrrandite esimese täpse lahendi. See kirjeldab kerasümmeetrilist mittepöörlevat massi.
- 1918 – saksa astronoom Carl Wilhelm Wirtz täheldas teatud udude (udukogude) spektrite punanihet. Ta ei teadnud , et tegu on galaktikatega.
- 1922 – Alexander Friedmann arvutas ilma kosmoloogilise konstandita Einsteini väljavõrrandite lahendid ning avastas, et need vastavad kosmosele, mis kas paisub igavesti alates alguspunktist, kollabeerub lõpp-punktiks või omab nii algus- kui ka lõpp-punkti.
- 1923 – Edwin Hubble tõestas, et Andromeeda udukogu on kaugel väljaspool Linnuteed.
- 1927–1933 – preester ja astronoom abbé Georges Lemaître töötas välja Suure Paugu teooria esimese versiooni, mille kohaselt Universum algab üheainsa osakesega, mida ta nimetas algaatomiks.
- 1929 – Edwin Hubble avastas, et galaktikate punanihe kasvab võrdeliselt nende kaugusega (hiljem hakati seda nimetama Hubble'i seaduseks). Ta seletas seda leidu Doppleri efekti abil universumi paisumise tagajärjena. Seepeale loobus Einstein kosmoloogilisest konstandist.
- 1948 – George Gamow, Ralph Alpher ja Robert Herman töötasid välja teooria, mille kohaselt kosmos on arenenud kuumast algolekust. Fred Hoyle töötas välja alternatiivse teooria (statsionaarseisundi teooria), mille järgi Universumi paisumisega kaasneb kõikjal uue aine pidev tekkimine, nii et Universumi tihedus ja struktuur jäävad muutumatuks. Järgnevatel aastatel lõi läbi Gamowi ja Hermani teooria.
- 1965 – Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson avastasid kogemata taustkiirguse.
- 1980 – Alan Guth püstitas mõningate kosmoloogiaprobleemide lahendamiseks hüpoteesi, et Universumi arengu varajases faasis leidis aset väga kiire paisumine. Seda inflatsioonilise universumi teooriat arendasid hiljem edasi Andrei Linde jt.
- 1990. aastad – teleskoopide ja kosmoseaparaatide tehnoloogia (näiteks COBE) areng võimaldas kosmoloogilisi parameetreid täpsemalt määrata. Kogunes andmeid, mis viitasid Universumi kiirenevale paisumisele.
- 2001 – lennutati üles kosmoseaparaat WMAP, mis mõõtis taustkiirguse ruumilist ja spektraalset jaotust äärmise täpsusega. See võimaldas seni saavutamata täpsusega välja arvutada mitu fundamentaalset kosmoloogilist suurust:
- Universumi vanus: 13,7·109 aastat
- kiirguse vabanemise aeg: 397 000 aastat pärast Suurt Pauku
- universumi koostis: 4,4 % barüonainet, 22 % varjatud ainet ja 73 % varjatud energiat.
Antroopsusprintsiip
Jääb
üle vaid inimese igavene küsimus: miks selline maailm eksisteerib
ja kuidas ta on tekkinud?
Füüsikute
lause vaakumi spontaansest polarisatsioonist kuulub kvant -teooriasse
ja tema filosoofiline lahtiharutamine on, nagu teistelgi kvantfüüsika
väljenditel, igapäevaterminites kaunis raskesti teostatav.
Sõna-sõnaline tõlge ütleks, et Universum tekib äkki ja
eimillestki ning et see on igati normaalne, ehkki väikese
tõenäosusega füüsikaline protsess.
1970.
aastal formuleeris Cambridge 'i Ülikooli professor B. Carter
printsiibi, millel on tänaseni kosmoloogide seas suur populaarsus:
Universumi
ehitus ja areng on täpselt sellised, et seal saaks eksisteerida
inimene (vaatleja).
See,
esmapilgul üsna ebafüüsikaline lause kannab antroopsusprintsiibi
nime. Selle eestikeelne vabatõlge oleks "inimkeskne Universum".
Printsiip lähtub faktist, et maapealse bioloogilise elu füüsikaline
tolerants (füüsikaliste parameetrite lubatavate väärtuste
vahemik) on samade parameetrite võimalike väärtustega võrreldes
ääretult väike.
Antroopsusprintsiibi
sisu: maailm on selline, et seal saaks olla inimene.
Antroopsusprintsiip on füüsika kui loodusfilosoofia tipp, küps eneseiroonia nende inimeste poolt, kes läbi tunnetuse raske tee on
jõudnud äratundmisele tunnetusvõime piiratusest. Kõigi oma
püüdluste kiuste suudab inimene tunnetada vaid iseennast ; olles aga
osa loodusest, tunnetab ta enda kaudu ka loodust.
Muidugi
võib antroopsusprintsiibile anda ka tavapärasema seletuse . Kujutame
ette, et tõepoolest eksisteerib selline ürgsubstants, mille nimi on
vaakum (loobume hetkeks tema samastamisest tühjusega), mis on
võimeline "polariseeruma", tekitades "universumeid".
Ja veel oletame, et kõik need universumid on erinevad nii neis
valitsevate füüsikaliste tingimuste kui ka neist tingimustest
tuleneva evolutsiooni poolest.
Heisenbergi
määramatusprintsiip
määramatuse
printsiibi formuleeris W. Heisenberg 1926. aastal. See määras
ära võimaliku tunnetuse piirid. Selleks, et määrata mingi osakese
asukohta ja impulssi kunagi tulevikus, tuleks tema asukoht ja impulss praegusel hetkel võimalikult täpselt määrata. Mikroosakest kätega
ei püüa ning lihtsaim viis tema karakteristikuid mõõta oleks
kiirata osakese pihta valguskvant . Aga see valguskvant häiriks
paratamatult osakese rahu ning muudaks tema impulssi määral, mida
pole võimalik ette näha. Mida täpsemalt õnnestuks meil määrata
osakese asukoht, seda ebatäpsemini saaksime määrata osakese
impulsi ja vastupidi. Osakese asukoha täpsel määramisel jääb
osakese impulss täiesti määramatuks.
Määramatuse
printsiibi poolt seatud kitsendus ei sõltu osakese asukoha või
impulsi määramise viisist vaid on paratamatu loodusseadus. Asi
iseenesest on ju täiesti loogiline - selleks, et midagi tunnetada,
peame me tunnetatavat objekti kuidagi mõjutama ja alles objekti
vastumõjust saame teha vajalikke järeldusi, vahepeal on aga objekt
meie mõju tõttu juba jõudnud muutuda. Aga ilma objekti rahu
rikkumata ei saaks me temast midagi teada. Määramatuse printsiip
tundub olevat vähemalt sama fundamentaalne loodusseadus kui energia
jäävuse seadus või termodünaamika II seadus (ehk entroopia kasvu
seadus, mille võiks kokku võtta järgmiselt: kõik asjad lähevad
segagaduse ja segatuse poole).
Selline
uudne lähenemine viis E.Schrödingeri ja P.Diraci uue füüsikateooria
- kvantmehaanika välja ttamiseni 1920-ndate aastate lõpul.
Kvantmehaanika järgi pole osakestel eraldi kindlaksmääratud
koordinaati ja impulssi, mida võiks mõõta. Selle asemel kirjeldab
neid suurusi kvantolek, mis on kombinatsioon koordinaadist ja
impulsist. Kvantmehaanilise osakese liikumine erineb oluliselt
osakese klassikalisest liikumisest . Kvantosakese liikumine on
statistiline, trajektoor klassikalises tähenduses puudub. Kvantosake nagu prooviks läbi kõik võimalused algolekust lõppolekusse minekuks kusjuures igale võimalusele vastab oma tõenäosus.
Täielik
kosmoloogiline printsiip ja kosmoloogilise printsiibi võimalik
rakendatavus aja suhtes
Kosmoloogilise
printsiibi rangem versioon , nn täielik
kosmoloogiline printsiip ehk absoluutne kosmoloogiline printsiip,
nõuab ruumilise homogeensuse kõrval ka ajalist
homogeensust.
Selle
printsiibi kohaselt ei mõjuta aeg (Universumi vanus) galaktikate,
tähetüüpide jne esinemist . Lähedastel objektidel peavad seetõttu
olema samad omadused nagu vaadeldavatel kaugetel objektidel, mis on
tänapäeval käibiva teooria kohaselt palju varasemad.
Seda
versiooni toetasid algselt statsionaarse seisundi teooria esindajad (teiste seas Hermann Bondi ja Fred
Hoyle). Selle teooria kohaselt tagab homogeensuse uue aine pidev ilmumine Universumisse. Tänapäeval pole täielikul kosmoloogilisel
printsiibil enam erilist tähtsust.
Astronoomide
vaatlusandmete kohaselt on Universumil heterogeensed struktuurid kuni
superparvede,
galaktikafilamentide
ja suurte tühikuteni,
kuid vähemalt 200 miljoni parseki
suurusjärgus on Universum enam-vähem homogeenne . See käib
ruumilise
homogeensuse ja isotroopsuse kohta; suurtes ajalistes
mastaapides Universum aga homogeenne ega isotroopne ei ole, sest ta
on evolutsioneerunud
väga teistsugustest tingimustest Suurest
Paugust saadik ning evolutsioneerub väga teistsugustele
tingimustele (eriti varjatud
energia tugeva mõju tõttu). Nähtavasti ootab Universumit ees
Big
Freeze või Big
Rip. Mittekosmoloogilistes
(väikestes) mastaapides on Universum ajaliselt homogeenne, kuid ta
pole ajaliselt isotroopne mastaapides, mis on suuremad
elementaarosakeste
vastasmõjude
kestusest. Mitteisotroopse aja (aja noole ) ilmumine suurtes mastaapides on üks fundamentaalsemaid
lahendamatuid
probleeme füüsikas.
Läbipaistev
universum
täpsemalt
13,7 miljardi - 380 000 aasta taha. Siis (380 000 aastat pärast
Suurt Pauku) muutus Universum valgusele läbipaistvaks. Ja see, mis sellest kaugest ajast paistab,
on selline:
KASUTATUD
KIRJANDUS
http://et.wikipedia.org/wiki/Universu m
http://opik.obs.ee/
D.Kindersley . „Illustreeritud lasteentsüklopeedia“
4.Tõnu
Soopalu . “Kooliastronoomia
põhivara”
Kõik kommentaarid