Вселенная и ее происхождение

1

1 ВСЕЛЕННАЯ, ЕЁ СТРУКТУРА

Вселенная - обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими. Однако термин Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа.

Астрономические наблюдения Вселенной позволили с относительной точностью установить «возраст» Вселенной, который по последним данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет. Однако, среди некоторых учёных существует точка зрения, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна, так как она является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, те или иные её стороны. С развитием кибернетики в различных областях научных исследований приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением однородной и изотропной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать, образ реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверять путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и не изотропной Вселенной.

Видимая часть Вселенной - Мегагалактика. Её размеры составляют около 20 световых лет.

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце - одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.

Галамктикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов (10⁶) до нескольких триллионов (10¹²) звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Кроме отдельных звёзд и разрежённой межзвёздной среды, большая часть галактик содержит множество кратных звёздных систем, звёздных скоплений и различных туманностей. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет.

Хотя около 90% массы галактик приходится на долю тёмной материи и энергии, природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом со средней плотностью меньше одного атома вещества на кубический метр. Возможно, что в наблюдаемой части Вселенной находится около 10¹¹ галактик.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звездам - небесное тело, по своей природе сходное с Солнцем, вследствие огромной отдалённости видимое с Земли как светящаяся точка на ночном небе. Звёзды представляют собой массивные самосветящиеся газовые (плазменные) шары, образующиеся из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами Кельвинов, а на их поверхности - тысячами Кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий или гелия в углерод, происходящих при высоких температурах во внутренних областях, у отдельных, редко встречающихся звёзд, в ходе других процессов. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

Ближайшей к Земле звездой является (не считая Солнца) Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 св. лет от нашей Солнечной системы (4,2 св. лет = 39 триллионов км = 3,9 Ч 10¹³ км).

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое- звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

Млечный путь - светлая серебристая полоса звезд - опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, - это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы - диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, - планетарные.

Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения - пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике заполнено везде - разреженным межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля - гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик - эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики - распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды - красные гиганты.

Спиральные галактики - самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения - квазаров. Сейчас их открыто более тысячи.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни кометы бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца.

Солнечная система - это очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого.

В определенном плане Земля выделена самой природой: в Солнечной системе только на этой планете существуют развитые формы жизни, только на ней локальное упорядочение вещества достигло необычайно высокой ступени, продолжая общую линию развития материи. Именно на Земле пройден сложнейший этап самоорганизации, знаменующий глубокий качественный скачок к высшим формам упорядоченности.

Отличие планет земной группы от планет-гигантов очевидны. Но и среди ближайших соседей Земли нет двух одинаковых планет: все они различаются размерами, физико-химическими параметрами, строением недр и поверхностей, атмосферами и другими характеристиками. Основными различия определены начальными условиями формирования планет - химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались, расстоянием от Солнца, резонансными взаимодействиями с другими планетными телами и Солнцем.

Прямые исследования других ближних планет только начаты. Тем не менее, имеющиеся сведения уже позволяют проводить сравнительное изучение внешних оболочек Земли и других планет Солнечной системы. На этой основе возникло новое научное направление, названное сравнительной планетологией.

Земля - планета Солнечной системы.

Земля - самая большая планета в своей группе. Но даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удерживать свою газовую атмосферу. Земля интенсивно теряет водород и некоторые другие легкие газы, что подтверждают наблюдения за так называемым шлейфом Земли. Венера почти равна по размерам и массе Земли, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свободный водород. У остальных двух планет этой группы атмосфера либо отсутствует (Меркурий), либо сохранилась в очень разряженном состоянии (Марс).

Наиболее близкие к Солнцу планеты - Меркурий и Венера - очень медленно вращаются вокруг оси, с периодом в десятки-сотни земных суток. Медленное вращение этих планет, связано с их резонансными взаимодействиями с Солнцем и друг с другом. Земля и Марс вращаются почти с одинаковыми периодами около 24 ч. Земля и Венера также образуют резонансную структуру. В этой группе планет только Венера имеет обратное вращение (противоположное направлению вращения Солнца вокруг своей оси), она как бы опрокинута «вверх ногами» на своей орбите. Наконец, только Земля в своей группе имеет сильное собственное магнитное поле, более чем на два порядка величины превосходящее значения магнитных полей у других планет.

Ни одна из планет земной группы не имеет развитой системы спутников, что характерно для планет группы Юпитера. Планетоподобный спутник Земли - Луна - близок по размерам к планете Меркурий. Два спутника Марса - Фобос и Деймос - имеют неправильную форму, напоминая небольшие астероиды. До сих пор, как о происхождении Луны, так и о происхождении спутников Марса нет ясного представления.

Три из четырех планет земной группы обладают заметной атмосферой. Атмосфера каждой планеты несет отпечаток особенностей ее развития. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней низкое содержание углекислого газа, высоко содержание молекулярного кислорода и относительно велико содержание паров воды. Две причины создают выделенность атмосферы Земли: вода океанов и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу молекулярным кислородом, образующимся в процессе растительного фотосинтеза. Расчеты показывают, что если освободить всю поглощенную и связанную в океанах углекислоту, убрав одновременно из атмосферы весь накопленный в результате жизнедеятельности растений кислород, то состав земной атмосферы в своих основных чертах стал бы подобен составу атмосфер Венеры и Марса.

Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу. Возможно, что раньше, когда шли процессы активного выделения газов из недр планеты, атмосфера Марса была намного плотнее, чем теперь. Условия у его поверхности были более мягкие, без столь резких перепадов дневных и ночных температур. В марсианской атмосфере очень мало паров воды, соответственно отсутствует облачность. Но движения разреженной атмосферы временами достигают такой силы, что в общепланетном масштабе возникают мощные пылевые бури, поднимающие массы песка на высоту многих километров. Тогда поверхность планеты надолго скрывается за непроницаемой завесой.

Успехи науки и техники сделали доступным прямое изучение планет Солнечной системы, открыв принципиально новые возможности для сравнительного познания нашей собственной планеты. Тем самым открыта новая страница в постижении окружающего нас мира, но на ней пока записаны лишь первые строки. Все еще остается нерешенным вопрос: что выделило Землю среди семейства планет одного с ней типа так, что она смогла стать обителью жизни? Поиск ответа на этот вопрос может проходить только на путях движения от частного к общему, от планеты Земля с существующей на ней жизнью к осознанию космической природы жизни - этого важнейшего звена самоорганизации вещества в процессе развития материи.

2 ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Все концепции возникновения вселенной условно можно разделить на две:

· Концепции возникновения вселенной без участия осознающего фактора (Творца, «Вселенского разума» и т. д.) - в основном, научные - не признающие одухотворённость творения и понятие Творца, или, иными словами, «осознающего создателя», и опирающиеся на другие допущения;

· Концепции сотворения мира - в основном, религиозные - признающие Творца в качестве первопричины.

Момент во времени, когда появился мир (Вселенная, звезды, планеты и т. п.), существует несколько научных и религиозных систем датировок.

· Согласно библейским источникам, период времени от сотворения мира Богом до Рождества Христова насчитывал от 3483 до 6984 лет.

· Теория Большого Взрыва, широко распространённая в современной физике, оценивает появление Вселенной около 13 миллиардов лет назад. Самая ранняя известная эпоха это Планковское время (10^?43 секунд после Большого Взрыва)

· В индуизме день Брахмы, состоящий из 1000 периодов по 4 юги (4,320 миллиардов лет). По прошествии этого периода наступает ночь Брахмы, равная по продолжительности Кальпе. Считается что нынешний Брахма находится на 51 году своей жизни, что соответствует 220,32 миллиардов лет.

Креационимзм (от лат. creare - создавать) - теологическая или метафизическая концепция, в рамках которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как целенаправленно созданные Творцом или Богом.

В настоящее время креационизм представляет собой широкий спектр концепций - от сугубо богословских и философских до претендующих на научность, однако общим для этой совокупности является то, что эти концепции отвергаются современным научным сообществом

Согласно одной из альтернативных теорий (так называемой «бесконечно пульсирующей Вселенной»), мир никогда не возникал и никогда не исчезнет (или по другому рождается и умирает бесконечное количество раз), но обладает периодичностью, при этом под сотворением мира понимается точка отсчета после которой мир строится заново (она же обозначает и конец мира).

Большомй взрыв (от англ. Big Bang) - гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии с гигантскими температурой и плотностью.

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 (сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной). Он сказал: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с температурой примерно 10³² K (Планковская температура) и плотностью около 10⁹³ г/см³ (Планковская плотность), и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно через 10^?35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время - 10^?43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу - образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения (отклонение энергии от вещества), которое связано с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Сгусток есть нечто иное, как сама Вселенная, и Земля находится внутри него. Реликтовое излучение является источником звездной энергии.

Но теория Большого взрыва не может объяснить причину «первотолчка», не дает ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, - не больше, и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Агекян Т.А. Звезды, галактики, мегагалактики. М., Наука, 1981.

2. Воронцов-Вельяминов Б.А. Галактики, туманности и взрывы во Вселенной. М., 1983.

3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

4. Климишин И.А. Открытие Вселенной. М., 1987.

5. Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. М., Мир. 1991.

6. Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. М., 1993.

7. Непомилуев В.Ф. Новая гипотеза происхождения и эволюции Вселенной, Солнечной системы, Земли. Материалы международного научного конгресса «Фундаментальные проблемы естествознания». СПб., 1998.

8. Непомилуев В.Ф. Происхождение и эволюция Вселенной, Солнечной системы, Земли. Газета «Аномалия», № 1(181), СПб., 1999.

9. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988.

10. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1990.

11. Полак И.Ф. Как устроена Вселенная. М., 1979.

12. Ходж П. Галактики. М., Наука, 1992.