Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Происхождение Вселенной

Вселенная - это весь материальный мир. Близок к нему термин «Метагалактика» - это то, что мы в состоянии сейчас наблюдать, своего рода реальный компонент Вселенной. Во вселенной имеют место также виртуальные объекты., явления и процессы; в естествознании,» виртуальный» означает мыслимый, но не наблюдаемый. По современным представлениям, размеры Метагалактики оцениваются примерно в 10^10 световых лет, при этом один световой год равен 0,946*10¹⁶ метров - то расстояние которое свет, имея скорость с =3*10⁸ м/с, проходит за один земной год. В космологии и космогонии применяется также внесистемная единица длины 1 парсек=1 пк=3,086*10^16 м, при этом один световой год =0,3068 пк, то есть парсек примерно в 3,3 раза больше чем один световой год.

Ещё нам потребуется информация об элементарных частицах материи. Таких частиц в физике известно много, но для качественных представлений достаточно знакомство с пятью «корпускулами». Это фотон, электрон, нейтрино, протон, нейтрон.

Фотон - это квант света, он же квант электромагнитного излучения-частица с массой покоя, равной нулю, существующая только в состоянии движения со скоростью света.

Нейтрино - лёгкая частица, её масса покоя очень мала и пока что не измерима. Нейтрино участвует в гравитационном и в так называемом слабом взаимодействиях. Нейтрино и фотон электрически не заряжены.

Электрон - заряженная частица с элементарным зарядом е=-1,6*10^-19 Кл и массой покоя m0=9.1*10^-31 кг.

Протон и нейтрон - (нуклоны) примерно в 1840 раз массивней электрона. Протон имеет положительный элементарный заряд, нейтрон электрически нейтрален, за что и получил своё имя. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра.

У каждого вида частиц есть античастицы. Когда-то они рождались парами: нейтрино и антинейтрино, электрон и позитрон, нуклон и антинуклон. Антифотон исключение, он полностью идентичен фотону. Примечательно что при встрече частица и античастица обязательно аннигилируют, то есть исчезают порождая вместо себя два или три фотона (масса превращается в энергию). Есть и обратная реакция-при столкновении фотонов большой энергии возможно рождение вещественных пар «частица-античастица».

В настоящее время наиболее адекватной точкой зрения появления Вселенной является теория большого взрыва, или теория горячей вселенной. В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках созданной им общей теории относительности дал первую научную картину устройства Вселенной. Основу картины составляло представление о том что пространство и время, во первых активно влияют на всё что происходит во Вселенной, а во вторых что они сами изменяются под воздействием событий, происходящих во Вселенной. До Эйнштейна пространство и время считались абсолютно пассивными формами существования материи. Сама Вселенная в теории Эйнштейна предполагалась стационарной, то есть существующей вечно. Он полагал:

- Во всём пространстве существует некоторая средняя плотность материи, которая отлична от нуля и в большом масштабе всюду одна и та же;

- Размеры («радиус») пространства не зависят от времени.

Русский геофизик и математик Александр Фридман показал в своих решениях что «радиус мира» зависит от времени. Иными словами теория требовала расширения или сжатия Вселенной. И в дальнейшем Эдвином Хабблом в 1928 году это решение было подтверждено. Радиус Вселенной действительно непрерывно увеличивается. Но если это так, значит Вселенная когда-то была очень маленькой, и тогда у неё должна быть «дата рождения». Наблюдаемые факты: однородность химического состава Вселенной, наличие непрерывного расширения и наличие реликтового излучения вместе составили естественное обоснование горячей модели Большого Взрыва, модели рождения нашего мира. Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. В этом контексте «все пространство» может означать либо все пространство бесконечной Вселенной, либо все пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы. Каждую из этих возможностей нелегко постичь, но это нам не помешает: оказывается, что на историю ранней Вселенной не влияет, является ли пространство конечным или бесконечным.

Примерно через одну сотую долю секунды, самое раннее время, относительно которого мы можем говорить с какой-то определенностью, температура Вселенной была равна примерно ста тысячам миллионов (10¹¹) градусов Цельсия. Это значительно горячее, чем в центре самой горячей звезды, так горячо на самом деле, что ни одни из компонентов обычного вещества - молекулы, атомы или даже ядра атомов - не могли существовать. Вместо этого вещество, разлетавшееся в разные стороны в таком взрыве, состояло из различных типов так называемых элементарных частиц, являющихся предметом изучения современной физики высоких энергий.

На старте рождения размеры Вселенной были близкими к нулю, а плотность материи, кривизна пространства и температура - огромными, быть может даже бесконечными как в математических моделях. Такие системы называют сингулярностями, для их описания создан специальный математический аппарат. Мы пока не знаем почему взорвалась исходная сингулярность и зачем это произошло. Но это произошло. Старт был впечатляющим. За сверхмалую долю нашей секунды радиус Вселенной увеличился в 10^30 раз. В теории этот этап носит название «раздувание», или «инфляции» - физики не смогли придумать более точного названия для процесса, происходящего за доли секунды с все возрастающей скоростью. Именно с раздуванием (инфляцией) возникли те сущности которые мы называем пространством и временем, мировыми постоянными типа скорости света или гравитационной постоянной, законами природы, веществом, излучением. Возникли и фундаментальные взаимодействия - ядерное (сильное), электромагнитное, гравитационное и возможно слабое. Через доли секунды скорость расширения упала. К этому моменту температура всюду стала одинаковой-очень большой, но уже не бесконечной. В результате раздувания во Вселенной возникло очень много вещества, что около 10^80 частиц. Рождалось вещество виде пар «частица-античастица». Через секунду после взрыва температура упала примерно до 10^12 К, уменьшилась и скорость расширения. Для сравнения по современным данным, температура в центре Солнца сейчас около 10^7 К, а скорость расширения Вселенной такова, что её размеры увеличиваются примерно на 5-10% за 10^9 лет. В возрасте одной секунды Вселенная состояла из фотонов, электронов, протонов, нейтронов, нейтрино, и их античастиц. При дальнейшем расширении и охлаждении аннигиляция стала преобладать над рождением пар. Это означает увеличение числа фотонов и уменьшения числа частиц с массой покоя отличной от нуля. Осталось лишь сравнительно небольшое число протонов, нейтронов и электронов, их античастицы исчезли почти полностью. Такое неравенство физики объясняют тем, что при однонаправленном течении времени поведение частиц к счастью отличается от поведения античастиц. К счастью, потому что все наши галактики и звёзды состоят из того что осталось. И мы с вами тоже. В это трудно поверить, но пока что приходиться принимать такую ситуацию как должное, иначе трудно объяснить существование человечества - мы все состоим из вещества!

В возрасте ста секунд Вселенная остыла до 10^10 К, частицы замедлились в своём движении и стали уже не в силах полностью противостоять действию ядерных сил притяжения. Пошёл процесс образования ядер. Первыми возникли ядра дейтерия (протон+нейтрон), потом гелия (два протона+два нейтрона), затем более сложные ядра лития и бериллия. Из-за наличия электрического отталкивания и некоторого дефицита нейтронов, часть протонов (ядер водорода) осталась в свободном состоянии. Водород и гелий и сейчас преобладают во Вселенной.

Через несколько часов после старта образование ядер гелия, лития, бериллия прекратилось. Затем примерно 10^6 лет(миллион) Вселенная взрослела спокойно, в состоянии плазмы из положительных ядер и отрицательных электронов, медленно расширяясь и охлаждаясь. Самое интересное началось тогда, когда температура упала до нескольких тысяч Кельвинов (или градусов Цельсия). Скорости частиц упали настолько, что электроны и ядра не могли преодолеть электрического притяжения. Возникли качественно новые системы, состоящие из ядер и электронов-атомы. Возник новый уровень организации материи. Как известно, атомы могут поглощать фотоны только определённых энергий, следовательно, сообщество атомов стало прозрачным. Излучение распространилось по всему пространству-именно его в наше время физики зафиксировали как реликтовое излучение (микроволновое фоновое излучение).

Когда мы говорим о плотности вещества, то подразумевается обычная средняя плотность. В реальных системах всегда возможно случайное образование локальных «пустот» и локальных уплотнений-флуктуаций. Скорее всего способность самопроизвольно генерировать флуктуации, есть одно из фундаментальных свойств материи. Флуктуации плотности, вероятнее всего существовали и до разделения вещества и излучения, и после возникновения атомных систем. В космологии просчитано несколько моделей, качественное следствие их одинаково-при уменьшении скоростей движения частиц случайное более плотное сообщество становится более локальным источником гравитационного притяжения. За счёт такой гравитационной неустойчивости на фоне общего расширения вселенной, некоторые её области начали сжиматься-возникла возможность коллапса, то есть процесса быстрого сжатия вещества с повышением температуры внутри коллапсирующей системы. Именно гравитационная неустойчивость привела к образованию галактических облаков, затем внутри них возникли звёзды. Гравитационное сжатие вызвало сильный разогрев внутри звёзд.

При образовании звёзд температура внутри них повышалась до огромных значений, достаточных для начала реакций ядерного синтеза. Водород в звёздах обращается в гелий, звезда ярко светится. Но выделяющееся при этом тепло препятствует дальнейшему сжатию. При наличии вращения, сжатие приводит к увеличению скорости вращения. Различного рода неустойчивости в первые тысячи лет жизни звезды вызывают локальные взрывы и выбросы более тяжёлых элементов, из которых могут образоваться планеты и их спутники. Так образовалось и наше Солнце-рядовая звезда среднего поколения. Оно не из самых старых звёзд, но и не молодо, ему примерно пять миллиардов лет. Жить ему осталось видимо около восьми миллиардов лет. Ну а что тогда будет с нами, сказать трудно. В теории эволюции Вселенной ещё очень много белых пятен. Мы не знаем почему именно эволюция шла так, а не иначе. Если ещё раз воспроизвести описанную выше схему эволюции мира, то можно заметить что по мере остывания возникали всё более сложные системы. В начале в хаосе элементарных частиц образовались ядра. Затем подключилось электромагнитное взаимодействие-появились атомы и молекулы..Затем настала очередь гравитации. Именно гравитационные, самые слабые по абсолютной величине силы, привели к появлению галактик, звёзд и планет. Пока речь идёт о неживой материи, всё более или менее ясно. Но возникновение и развитие живого-процесс значительно более сложный, так как в результате зарождаются и эволюционируют всё более сложные системы. Самая сложная из которых-человек. Именно человек оказался способным понять кто он есть, и что он должен делать дальше.

2. Модель расширяющейся Вселенной

вселенная частица элементарный расширение

Расширение Метагалактики - самое грандиозное на сегодняшний день явление природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философских взглядов учёных. Некоторые из них отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности это взрывы. Их масштабы поражают уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.

Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что раньше она была меньше и когда-то всё пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошёл процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала «расширяться». Процессы происходящие при этом объясняются теорией горячей Вселенной.

Вселенная бесконечна в пространстве и времени и если отбросить все идеи И. Ньютона о «первом толчке», то такого рода мировоззрение можно считать вполне материалистическим. Нютоновская Вселенная утверждала, что пространство есть вместилище всех небесных тел, с движением и массой оно ни как не связано; Вселенная всегда одна и та же т.е. стационарна, хотя в ней постоянно происходит гибель и рождение миров. Однако в течении XIX века обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в виде трёх парадоксов, названных космологическими. Они казалось подрывали представление о бесконечности Вселенной.

Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна и звёзды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким как Солнце.

Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и звёзды равномерно занимают её пространство, то сила тяготения в каждой её точке должна быть бесконечно велика, а стало быть бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.

Термодинамический парадокс. По второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счёте сводятся к выделению теплоты, которая необратимо рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и наступит навсегда «тепловая смерть».

Никто разумеется не хотел отрицать бесконечность Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений Альберта Эйнштейна внёс новую струю в космологические споры.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных её идей состоит в том, что материальные тела в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходя вблизи Солнца, меняет направление.

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно «размазана» в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но даже замкнёт его «на себя». Вселенная (выделенная его часть) превратится в замкнутый мир. напоминающий обычную сферу. То есть, если лететь в мировом пространстве всё время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А.А. Фридман доказал, что замкнутая Вселенная Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае её пространство или расширяется, или сужается со всем её содержимым. Расчеты Фридмана были многократно проверены и Эйнштейном, и Эддингтоном, и де Ситтером. О Фридмане справедливо говорят, что он «на кончике пера» открыл разбегание галактик.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, при чём смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением. Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. Объяснив красное смещение эффектом Доплера, т.е. изменением длины волны света в связи с движением источника, учёные пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непременно увеличивается. Конечно галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галактики, которая не занимает особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Таким образом Метагалактика не стационарна. Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления Галактик.У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удалёнными от нас объектами Метагалактики. Закон согласно которому красное смещение (а значит и скорость удаления галактик) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать виде: V=Hr, где V-лучевая скорость галактики; r-расстояние до неё; H-постоянная Хаббла. По современным оценкам значение H заключено в пределах: 50 км/с Мпк <H <100 км/с Мпк.

Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики разделённые расстоянием 1 Мпк (3*10^19 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики известна, то можно вычислить расстояние до далёких галактик.

Итак, мы живём в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверх скоплений галактик, т.е. систем элементами которых являются галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики. Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12-18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной. Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды. Расчёты предшествующей истории Космоса в большинстве моделей дают для начала расширения пространства (13-20 млрд лет назад) состояние с очень высокими плотностью материи и энергией излучения. В уравнениях появляется математическая сингулярность, и ни одна модель не двигается ранее этого момента. Так как при сжатии газа его температура возрастает, допускают, что в далёком прошлом Вселенная была очень горячей. Именно к модели «горячей Вселенной» пришёл Гамов, назвав её «Космология Большого Взрыва». Его интересовали относительная распространённость и происхождение химических элементов во вселенной. С. Чандрасекар, Х. Бете, К. Вейцзеккер и другие ученые считали, что в глубинах Солнца не могут образовываться элементы тяжелее гелия. Гамов предположил что в самом Начале при больших плотностях и температурах ранней Вселенной возможно протекание реакций синтеза элементов. По законам термодинамики при этих условиях в разогретом веществе всегда должно находиться в равновесии с ним и излучение. После нуклеосинтеза, занимающего несколько минут, излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только его температура должна понизиться за это время из-за расширения. Эту схему необходимо было рассчитать и сравнить с ней распространенность элементов в современной Вселенной. Эта работа заняла 10 лет. Гамов консультировался с Э. Ферми и А. Туркевичем, но в 1948 г., когда вместе с Альфе-ром была подготовлена его статья, он вписал в последний момент и Бете. Так появилась знаменитая А-Б-Г-теория.

Список литературы

1. Концепции современного естествознания. Учебник / Гусейханов М.К., Раджабов О.Р.-Москва: издат-во «Дашков и К°» - 2012.-с. 286-292

2. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2006.-с. 354-356

3. Концепции современного естествознания. Учебное пособие / Горелов А.А.-Москва: издат-во «Центр», 1997.-с. 28-30

4. Концепции современного естествознания. Учебное пособие / Горин Ю.В., Свистунов Б.Л., Алексеев С.И.-Москва: издат-во «Евразийский открытый институт», 2010.-с. 28-38

Размещено на Allbest.ru