Концепция "Большого взрыва" и расширяющейся Вселенной

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Концепция «Большого взрыва» и расширяющейся Вселенной

2. Основные проблемы глобальной экологии и пути их разрешения…

Заключение

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Планеты, звёзды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная в целом?

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии.

Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований. Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Поэтому первой задачей работы является изучение теоретических источников по проблеме развития вселенной начиная с момента «большого взрыва» и изучение на этой основе модели расширяющейся вселенной.

Во второй части работы рассматриваются основные проблемы глобальной экологии и пути их разрешения. Поскольку в наиболее развитых в промышленном отношении странах давно бьют тревогу по поводу надвигающегося (по мнению оптимистов) или уже состоявшегося (по оценкам пессимистов) экологического кризиса, причем не только в масштабе одной или нескольких стран, но и в масштабе всей планеты.

Основания для подобного вывода имеются: исчерпаемость полезных ископаемых, отсюда вытекает необходимость поиска новых источников энергии; с этим же связан достаточно болезненный, надвигающийся новый передел мира - раздел добываемой из недр земли нефтяной и газовой продукции.

Если к этому добавить повсеместно наблюдаемое загрязнение Мирового океана, уничтожение южноамериканской сельвы - легких планеты, утоньшение и прорыв озонового слоя Земли, еженедельное исчезновение одного или нескольких видов живых существ (навсегда!), то станет понятно, что тревоги по поводу сохранения биологического разнообразия Земли, условий выживания человека не являются беспочвенными и требуют пересмотра отношений человека и природы, организации взаимодействия общества и окружающей природной среды.

Ощутимыми проявлениями наших экологических трудностей становятся загазованность атмосферного воздуха в крупных городах, уменьшение плодородия почв, и в первую очередь российских черноземов, недопустимое загрязнение среды в местах производства, складирования и уничтожения химического оружия и других отравляющих веществ, обезвоживание, а кое-где и подтопление земель, провалы поверхности в местах активной добычи минеральных ресурсов.

При выполнении работы использовались учебники и учебные пособия по концепциям современного естествознания, философии, астрономии, экологии, экологическому праву и природопользованию, а также монографии и научные статьи в периодических изданиях.

1. КОНЦЕПЦИЯ «БОЛЬШОГО ВЗРЫВА» И РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

Предполагаемый возраст Вселенной во много раз превышает те временные отрезки, которыми мы оперируем, описывая историю человечества или даже историю нашей планеты. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной, а с точки зрения человека, процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Согласно общепринятой сегодня эволюционной теории Вселенной, началом ее был гигантский, раскаленный и плотный огненный шар. Это было около десяти миллиардов лет назад. Предполагаемый состав этого первичного яйца был весьма прост: огненный шар был настолько раскален, что, вероятнее всего, состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом, хотя, скорее всего, это были не те элементарные частицы, которые современные ученые привыкли наблюдать сегодня. Какое-то время шар находился в покое, а затем произошел Большой Взрыв, и на протяжении десяти миллиардов лет после этого события, грандиозной вселенской катастрофы, простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией, и, вероятно, на некоторых планетах могли возникнуть формы жизни, подобные земным или же радикально отличающиеся от них.

Итак, произошел Взрыв, по-английски Big Bang, и с этой секунды началось расширение Вселенной, продолжающееся до сих пор, а момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом, хотя, возможно, Мировое Яйцо, огненный шар, бесконечно долго пребывал в стабильном состоянии. Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда одно и то же количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём, а, следовательно, средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в начале времен (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой, ведь в относительно небольшом объеме содержалось все существующее сегодня вещество. Кроме того, высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов, содержащихся в 1 куб. см, была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см.

На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва”, вся материя была фантастически раскаленной густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы, а энергия превращалась в вещество. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны. К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды, температура ее понизилась и ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов, но температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов уменьшилась и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, возникает нейтринное море.

На смену лептонной эры пришла эра излучения. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие. Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая грандиозная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны). После “большого взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, так называемая "звездная эра". Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным по причине низкой плотности и температуры.

Вселенная вступила в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной. Правда, стоит отметить, что эти сверхгалактики обладают на редкость упорядоченным ячеистым строением. Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверхгалактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределяет форму галактики, родившейся из этого вихря. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики. В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы. Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы - гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа.

На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе.

В 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки. Его наблюдения говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов.

Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.

Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика - одна из нескольких сотен тысяч галактик, которые можно наблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь содержит сотни тысяч миллионов звезд. Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.

В 20-х годах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра (спектры удаляющихся звезд сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд испытывают фиолетовое смещение). Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера.

Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т.е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.

Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века. Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому в голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, что статическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно.

Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую "антигравитационную" силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти не статичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А.А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.

Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!

В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. Со временем расстояние между двумя соседними галактиками возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля. Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь, перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и в конце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли.

В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. То есть, если общую теорию относительности объединить с квантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ. В первой модели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.

Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется.

Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.

Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.

В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И.М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв - особенность лишь моделей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. В 1970 г. после многочисленных исследований моделей схожих с моделями Фридмана Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.

В итоге в 1970 г. Воронин и Пенроузом написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва.

2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОЛОГИИ И ПУТИ ИХ РАЗРЕШЕНИЯ

Современный глобальный экологический кризис может быть определен как нарушение равновесия в экологических системах и в отношениях человеческого общества с природой. Он является следствием несоответствия развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе экологическим возможностям окружающей среды. Кризис в природе характеризуется такими основными чертами, как нарушение экологического равновесия в процессе антропогенной деятельности и неспособность человеческого общества преломить тенденцию ухудшения состояния окружающей среды. Экологический кризис есть закономерный результат неразрешенного пока противоречия между утвердившейся в истории цивилизации практикой потребительского отношения общества к окружающей среде и способностью биосферы поддерживать систему естественных биогеохимических процессов самовосстановления.

Составляющие кризиса разнообразны. В глобальном масштабе окружающая среда и ее экологические системы истощены. Так, недальновидная политика ведет к деградации сельскохозяйственной ресурсной базы почти на каждом континенте, что проявляется в эрозии почв в Северной Америке и России, их закислении в Европе, сведении лесов и опустынивании в Азии, Африке и Латинской Америке, практически повсеместном загрязнении воды и ее потерях.

С точки зрения глобальных запасов, на Земле имеется огромный избыток водных ресурсов, однако количество воды, не пригодной к использованию из-за загрязнений, почти равно количеству, потребляемому всем мировым хозяйством. Из-за существующих пределов и загрязнений мировых запасов хватит на удовлетворение в лучшем случае лишь вдвое возросших потребностей, т.е. на ближайшие 20-30 лет.

До того как человек начал заниматься земледелием, на Земле было 6 млрд. га лесов. Сейчас осталось 4 млрд. га, из них только 1,5 млрд. га - нетронутые, девственные леса. При этом половина лесных массивов исчезла в период с 1950 по 1990 г. США потеряли треть своих лесных массивов и 85% первичных лесов. В Европе первичных лесов практически не осталось. Обширные лесные массивы умеренного пояса - примерно 1,4 млрд. га - сохранились в Канаде и в России, причем половина из них никогда не разрабатывалась. Половина первичных лесов в тропиках уже исчезла, а половина того, что осталось, интенсивно разрабатывается и деградирует. Чрезмерная вырубка - это лишь одна из угроз лесам. Другой является загрязнение окружающей среды. Три четверти европейских лесов, длительное время находившихся в сбалансированном состоянии, пострадало от загрязнения воздуха и кислых дождей.

На Земле существует от 10 млн. до 100 млн. различных форм жизни. Из них только 1,4 млн. классифицированы и поименованы. Темпы их исчезновения нарастают. По приближенным оценкам, ежедневные потери составляют от 10 до 100 видов. По мнению экологов, на Земле не было такого всплеска вымирания видов уже 65 млн. лет, с конца мелового периода, когда исчезли динозавры.

Одно из существенных проявлений экологического кризиса связано с чрезмерным потреблением природных ресурсов. Уже сейчас человечество потребляет ресурсов природы на порядок больше того, что можно изъять из биосферы без ущерба нарушения ее биохимических циклов и способности самовосстановления. Человечество расходует сейчас 40% всей продукции, произведенной фотосинтезом на суше. Иными словами, весь XX в. человечество жило за счет своих потомков. В результате оно поставило биосферу, а следовательно, и себя как неотъемлемую часть биосферы, на грань полной деградации.

В ближайшее время ожидается новая волна глобального экологического кризиса, которая охватит страны третьего мира и, вероятно, бывшие социалистические страны. Население этих групп стран составляет 6/7 всего населения планеты, причем одна треть его постоянно голодает. Свыше 90% прироста населения Земли в ближайшие десятилетия придется на эти же страны. Для удовлетворения потребностей населения этой части мира на уровне, близком экономически развитым странам, потребуется увеличить мировое производство товаров в 5-10 раз, а энергии в 5 раз.

Природа деградирует, а вместе с ней деградирует и человечество. Здоровье населения, безусловно, ухудшается в результате загрязнения, хотя человек, по-видимому, хорошо адаптирован к продуктам сгорания древесины и ископаемого топлива, так как всегда вдыхал их в пещерах, землянках, курных избах, освоив культуру использования огня на самых ранних стадиях существования. Гораздо существеннее влияет на здоровье человека то, что он разрушил свою экологическую нишу на значительной территории суши, а так как нет никаких доказательств того, что биологические законы не распространяются на человека, то очевидно, что идет распад генома человека в результате прекращения действия механизмов, удерживающих распадность вида на определенном уровне в естественной экологической нише.

О распаде генома человека свидетельствуют данные о росте генетических заболеваний в развитых странах, прежде всего психических заболеваний и врожденных нарушений. Социальные последствия этого процесса требуют пристального внимания, так как, возможно, именно с ними связаны распространение алкоголизма и наркомании, вспышки невиданной жестокости при локальных конфликтах, снижение иммунного статуса организма человека, возникновение новых болезней, расширение круга людей, затрагиваемых уже, казалось бы, искорененными болезнями (например, холерой и малярией), нарушение запретов и тормозящих процессов. Таким образом, то, что обычно называют «экологическими» заболеваниями и непосредственно связывают с загрязнением среды, оказывается верхушкой айсберга. За «очевидными» причинами лежат глубинные механизмы, ведущие к распаду генома человека, намного более опасные, но невидимые и неощутимые, подобно ионизирующему излучению».

В этих условиях ученые предсказывают гибель человечества в обозримом будущем. Это произойдет, если мы не сумеем в ближайшее время - последние годы XX в. и в предстоящем XXI в. - сменить доминирующие тенденции мирового развития и наше отношение к природе.

Таким образом, можно выделить 3 уровня глобальных проблем:

- интерсоциальные глобальные проблемы - связаны с основными проблемами человечества(атомная война, расслоение общества);

- природосоциальные - проблемы отношений человека и окружающей среды;

- антропосоциальные - взаимоотношения человека и общества (здравоохранение, повышение качества жизни и др.).

В 1992 г на конференции по устойчивому развитию Земли в Рио-де-Жанейро было приняты 5 основных документов:

- декларация по окружающей среде и развитию - направлена на равноправное партнерство между государствами - 27 принципов;

- повестка дня на 21 век - программа того как сделать развитие устойчивым с разных точек зрения;

- рамочная конвенция ООН об изменении климата - стабилизация концентрации парниковых газов в атмосфере;

- конвенция о биологическом разнообразии - требование принять меры по сохранению видов живых существ;

- заявление о принципах по рациональному использованию и устойчивому развитию всех видов лесов(впервые говорит о северном лесном поясе, а не только о тропических).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию в ядерной физике и в микроэлектронике).

Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А наша конечная цель - никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

В последнее десятилетие среди ученых и философов все более преобладает мнение, что Человечество одиноко если не во всей Вселенной, то во всяком случае в нашей Галактике. Такое мнение влечет за собой важнейшие мировоззренческие выводы, о значении и ценности земной цивилизации, ее достижений. Вполне возможно, что наша планета Земля является высшим «цветом» развития всей или, по крайней мере, огромной части Вселенной, в человечестве сконцентрированы все основные результаты, итоги саморазвития Мира, Природы. Это значит, что мы, люди, человечество, в огромной степени ответственны - не только за нашу планету, но и за развитие Вселенной в целом!

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барг О.А. Живое в едином мировом процессе. Изд-во Пермского университета 1993. - 227 с.

2. Вселенная, астрономия, философия. М.: изд. МГУ 1988. - 192 с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.И. Основные концепции современного естествознания: учебник, М.: Аспект-пресс, 2000 - 256 с.

4. Карпенков С.Х. Современное естествознание: учеб., М.: Академический проект 2003. - 560 с.

5. Найденыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие д/вузов, М.: Гардарики 2002, - 476 с.

6. Рубцов В.В., Урсул А.Д. Проблема внеземных цивилизаций - философско-методологические аспекты. М.: «Штиица» 1984. - 336 с.

7. Соколов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие д/вузов, М.: ВЛАДОС, 1999. - 232 с.

8. Турсунов А. Философия и современная космология М.: ИНФРА-М, 2001, - 458 с.

9. Фесенкова Л.В. Методологические аспекты исследования жизни в космосе. М.: изд. «Наука» 1976 - 128 с.