Teoria budowy wszechświata i jednostka odległości astronomii

1. Wstęp
2. Czym jest wszechświat?
3. Pierwsze wyobrażenia o świecie
4. Teoria geocentryczna
5. Teoria heliocentryczna
6. Współczesna teoria na temat budowy Wszechświata
7. Zakończenie.
8. Jednostka astronomii

Każdy z nas już od najmłodszych lat zadaje sobie pytanie: ”Jak wygląda Wszechświat? Jaka jest jego budowa?”. Szuka odpowiedzi na to pytanie dziedzina astronomii zwana KOSMOLOGIĄ, która nie dostarcza nam tylko opisów lub obrazów, ale także ułatwia zrozumienie jak Wszechświat funkcjonuje. Na ten temat można się uczyć bez końca, ale nigdy go nie zgłębimy.

Moja praca pozwala na cząstkowe poznanie otaczającego nas Kosmosu , a dokładnie na zapoznanie się z różnymi teoriami na temat jego budowy. Zawarte są tu teorie uporządkowane według kolejności powstawania: od starożytności do współczesności. Ukazują nam one nie tylko osiągnięcia nauki, ale także zmieniające się poglądy filozoficzne.

Praca ta przeznaczona jest dla osób każdym wieku, gdyż starałam się pisać ją językiem jak najbardziej zrozumiałym: unikałam nie tylko stosowania wielu dat, ale i trudnych definicji.

Życzę miłego czytania i jednocześnie łatwej nauki tego tak ciekawego tematu. Myślę, że teorie na temat budowy Wszechświata nie będą już nikomu obce.

CZYM JEST WSZECHŚWIAT?
To właśnie kosmologia pozwoliła nam na określenie czym jest Wszechświat. „Wszechświat to wszystko, co istnieje – materia, przestrzeń, energia i czas. Znajdują się w nim gwiazdy, planety i inne obiekty kosmiczne.”

Inaczej mówiąc Wszechświat zwany także Kosmosem jest przestrzenią wraz ze znajdującą się w niej materią, która w jakikolwiek sposób może oddziaływać na nas (lub my na nią) w przeszłości, obecnie, lub w przyszłości.

Rozwój idei pozwala nam na stwierdzenie, że być może istnieje jeszcze coś poza obserwowalnym Wszechświatem, co prowadzi do podziału definicji Wszechświata na dwie części: Kosmosu ograniczonego do tego co obserwowalne, lub w odniesieniu do całej przestrzeni i czasu, w której może istnieć wiele innych Wszechświatów.

PIERWSZE WYOBRAŻENIA O ŚWIECIE
Od zarania dziejów człowiek posiadał różne wyobrażenia na temat otaczającego go świata. Pierwsze teorie nie miały charakteru naukowego. Większość ludów pierwotnych wyobrażała sobie Wszechświat jako płaski krążek, wypukłą tarczę lub potężną górę. Na przykład ludy Mezopotamii uważały, że Wszechświat jest podobny do pokoju, w którym płaska Ziemia pełni rolę podłogi, a sufitem jest płaskie sklepienie niebieskie. Zaś starożytni Hindusi stworzyli teorię, że Ziemia jest wypukłą tarczą i spoczywa na grzbietach trzech słoni stojących na skorupie olbrzymiego żółwia pływającego po nieskończonym oceanie. Sam ocean był otoczony splotami świętego węża.

Rysunek 3.1. Według uczonych średniowiecza Ziemia była płaska, nad nią krążyło Słońce i Księżyc, a gwiazdy były przymocowane do sfery niebieskiej, za którą znajdowała się siedziba Boga i Aniołów.

Wraz z rozwojem nauki teorie te zaczęły się diametralnie zmieniać i przybierać formę naukową.

TEORIA GEOCENTRYCZNA
Starożytni Grecy stworzyli system zakładający, że Wszechświat zbudowany jest z Ziemi, obieganej dookoła przez planety, Księżyc i Słońce, a na zewnątrz otoczonej sferą gwiazd stałych. System ten został nazwany systemem geocentrycznym (z greckiego „Geo” - Ziemia i „Centrum” - środek). Koncepcja ta ulegała licznym przekształceniom. Dość szybko astronomowie zorientowali się, że założenie, jakoby planety obiegały Ziemię po orbitach o kształcie okręgów jest sprzeczne z wynikami obserwacji astronomicznych. Rozwiązanie tego problemu (bez rezygnacji z centralnego położenia Ziemi) znalazł grecki matematyk i astronom - Eksodos z Knidos. Następnie pojawił się Hipparch z Rodos. Był zwolennikiem geocentryzmu, choć odrzucił teorię sfer homocentrycznych (krążących wokół Ziemi). Stworzył on teorię zwaną teorią epicykli i deferentów. Głosiła ona, że „Ziemia znajduje się w środku deferentu, a krążąca dokoła niej planeta - na obwodzie epicykli, którego środek porusza się ruchem jednostajnym po obwodzie deferentu, a ten z kolei takim samym ruchem obraca się dokoła nieruchomego globu ziemskiego.” Ostateczny kształt tej teorii nadał grecki geograf i astronom Klaudiusz Ptolemeusz, żyjący w Aleksandrii w II w n.e. W modelu Ptolemeusza po orbitach kołowych zwanych deferentami poruszają się mniejsze okręgi, zwane epicyklami, a dopiero po nich poruszają się planety (teoria zawarta w dziele „Almagest”). Początkowo teoria ta przyjmowana była z oporami, później na wiele wieków zyskała popularność, gdyż jej zaletą była możliwość prostego i w miarę dokładnego wytłumaczenia zjawisk astronomicznych. Została obalona przez Mikołaja Kopernika.

TEORIA HELIOCENTRYCZNA
Dalsze obserwacje astronomiczne wykazały, że system geocentryczny nie jest idealnie zgodny z rzeczywistością. Konieczne stawało się dodawanie kolejnych epicykli, co doprowadziło do tego, że system stawał się coraz bardziej skomplikowany. Pierwszą osobą, która zaproponowała model heliocentryczny (z greckiego „Helios” - Słońce) był żyjący w II w. p.n.e. Arystarch z Samos. Zauważył on, że dziwne zachowanie planet można wyjaśnić przez umieszczenie w centrum Wszechświata nie Ziemi, a Słońca. Teoria ta dobrze tłumaczyła zjawiska obserwowane na niebie, jednak nie została przyjęta, ponieważ wyprzedzała swoje czasy.

Po Arystachu z Samos model heliocentryczny został zapomniany na siedemnaście wieków. Na nowo odkrył go dopiero polski uczony - Mikołaj Kopernik (1473-1543). Stworzony przez niego system i przedstawiony w dziele pt. "De revolutionibus orbium coelestium" („O obrotach ciał niebieskich”) zakładał, że w środku Wszechświata znajduje się nieruchome Słońce. Dookoła niego po kołowych orbitach poruszają się planety i Ziemia. System ten przypomina model zaproponowany przez Arystarcha z Samos, lecz Kopernik dokładniej dopracował swój pomysł. Nie zrezygnował całkowicie ze stosowania epicykli - jego system zawierał ich znacznie mniej i był prostszy od geocentrycznego systemu Ptolemeusza.

System heliocentryczny przywrócił astronomii prostotę, mimo to miał wielu przeciwników. Trzeba też pamiętać, że w czasach Kopernika teoria Ptolemeusza cieszyła się wielkim autorytetem wspieranym przez Kościół.
Także inny uczony – Galileusz, „stwierdził obrót Słońca dookoła osi a więc to, co było określone i przewidziane w teorii M. Kopernika. Pomimo, że trybunał inkwizycyjny zabronił głoszenia teorii heliocentrycznej w 1615, Galileusz w 1623 wydał „Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym.”

Odrzucenie teorii epicykli stało się możliwe dopiero kiedy przyjęto, że tory planet nie są okręgami lecz elipsami. Orbity eliptyczne wprowadził niemiecki astronom i matematyk Johannes Kepler. Sformułował on trzy prawa, zwane od jego nazwiska prawami Keplera, opisujące ruch planet we Wszechświecie.

I prawo Keplera:
Planety poruszają się po orbitach eliptycznych, przy czym Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy.

II prawo Keplera:
Dla danej planety stałą wielkością jest jej tzw. prędkość polowa (tj. pole powierzchni figury ograniczonej łukiem elipsy zakreślanym przez planetę w jednostce czasu i odległościami od końców łuku do ogniska).

III prawo Keplera:
Kwadraty okresów obiegów planet wokół Słońca są proporcjonalne do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca.

Model stworzony przez Kopernika i Keplera daje dobry opis ruchu ciał niebieskich. Nie mówi on jednak nic o przyczynie tych ruchów. Hipotezę, że Wszechświat stanowi jedność, i że zachowanie kuli armatniej opisują te sama prawa, które opisują również ruchy planet, jako pierwszy wysunął Isaac Newton (1643-1727). Uczony ten doszedł do wniosku, że skoro planety poruszają się po elipsach to prawdopodobnie działa na nie jakaś siła, zakrzywiająca ich tor. Newton domyślił się, że źródłem tej siły jest Słońce. Nazwał je siłami grawitacji, czyli wzajemnego przyciągania.

WSPÓŁCZESNA TEORIA NA TEMAT BUDOWY WSZECHŚWIATA
Ocenia się, że Wszechświat powstał kilkanaście miliardów lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu. Teoria Wielkiego Wybuchu zakłada, że w przeszłości cała materia i energia składające się na Wszechświat znajdowały się w nieskończenie małym obszarze. Gdy powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, był zupełnie odmienny od dzisiejszego Wszechświata zawierającego planety, gwiazdy i galaktyki. Bardzo wczesny Wszechświat był ognistą kulą promieniowania, z której powstała później pierwsza generacja gwiazd.

Cała materia znajdująca się we Wszechświecie pogrupowana jest w struktury. Gwiazdy - Rysunek 6.1- tworzą skupiska zwane gromadami, te z kolei tworzą galaktyki - Rysunek 6.2. Galaktyki, podobnie jak gwiazdy, zebrane są w gromady galaktyk, te zaś tworzą supergromady.

W skład Kosmosu oprócz Słońca i Ziemi wchodzi osiem pozostałych planet Rysunek 6.3 - Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton; księżyce planet (w tym nasz Księżyc), planetoidy, komety, meteory oraz pył i gaz międzyplanetarny.

Rysunek 6.1- Supernowa – gwiazda odległa o 170000 lat świetlnych.

Rysunek 6.2 - Przykładowe galaktyki

Rysunek 6.3 – Układ słoneczny.

ZAKOŃCZENIE
Praca ta pozwoliła mi na rozwinięcie mojego amatorskiego hobby. Stała się ona źródłem wiedzy dla każdego, kto chce poszerzyć swoje zainteresowania.

Zawarte w 5 rozdziałach tej pracy informacje, dają nam pełny obraz kształtowania się teorii na temat budowy Wszechświata. Z biegiem lat zmieniały się one diametralnie. Począwszy od pierwszych teorii nie mających charakteru naukowego, głoszących, że Wszechświat jest płaską tarczą, potężną górą lub krążkiem, do teorii opartych na naukowych dowodach, czyli teorii geocentrycznej i heliocentrycznej. Pierwsza z nich mówiła o tym, że w centrum Wszechświata znajduje się Ziemia, zaś druga głosiła, że w centrum znajduje się Słońce.

Do dnia dzisiejszego obowiązuje nas teoria heliocentryczna, która została poparta licznymi dowodami naukowymi.

Myślę, że teorie temat budowy Wszechświata nie będą już nikomu obce.
Moją pracę najlepiej podsumowują słowa Marka Twaina:

„W nauce jest istotne coś fascynującego. Z błahego stwierdzenia faktu można wysunąć mnóstwo tak wspaniałych uogólnień.”

JEDNOSTKA ASTRONOMII
Jednostka astronomiczna: AU( astronomical unit) jest to legalna w astronomii jednostka odległości, równa długości promienia niepertubowanej orbity kołowej ciała o masie znikomo małej, które krąży dookoła Słońca z prędkością gwiazdową 0,17202098950 radiana na dobę mającą 86400 sekund efemerydalnych.

1 AU= 0.0000158 l.y
1 AU= 0.0000048 pc
1 AU= 149613400 km = 149613400000

Rok świetlny l.y., r.św., l.św Rok świetlny (ang. light year) to miara odległości często stosowana w astronomii. Jest to odległość jaką pokonuje światło w próżni w czasie jednego roku.

1 L.y = 525736.5202890 minut świetlnych = 31537500.5339751 sekund świetlnych
1 l.y = 0.3064809 pc
1 l.y= 63216.2627144 AU
1 l.y = 9458000000000 km= 9458000000000000

Parsek pc. Parsek to jednostka odległości używana w astronomii. Oznaczana przez pc. 1 parsek to odległość, z jakiej połowa wielkiej osi orbity ziemskiej (czyli 1 j.a.) jest widoczna jako łuk o długości 1 sekundy.

1 pc= 3.2628463 L.y
1 pc= 206264.9468564 AU
1 pc= 1715397.4430239= 102902015.9101789 Sekund swietlnych
1 pc= 30860000000000=30860000000000000