Космологические модели Вселенной

17

Содержание

Введение

1. Космологические модели Вселенной

1.1 Эдвин П. Хаббл - «разбегание» Галактик

1.2 А.А. Фридман - расширение Вселенной

1.3 Георгий А. Гамов - космологический постулат

2. Стандартная модель эволюции Вселенной

2.1 Микроэволюция и макроэволюция Вселенной

2.2 Биологическая и экологическая эволюция

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Представление об открытых системах явилось основой для утверждения в современном естествознании эволюционного взгляда на мир. Однако никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до нашего века не существовало. Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время - кварки.

Бесспорно, атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он обращает главное внимание на строение и структуру различных систем, а не на их возникновение и развитие. Правда, в последние годы получают распространение также системный и эволюционный взгляды, которые обращают внимание скорее на характер взаимодействия элементов разных систем, чем на анализ свойств тех частиц, которые рассматривались в качестве своего рода последних кирпичиков мироздания.

Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.

1. Космологические модели Вселенной

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности и поэтому ее в отличие от прежней, классической, называют релятивистской.

1.1 Эдвин П. Хаббл - «разбегание» Галактик

Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889-1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Допплера свидетельствовало об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.

Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства - времени.

1.2 А.А. Фридман - расширение Вселенной

Следующий этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана (1888-1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление «разбегания» галактик. В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

1.3 Георгий А. Гамов - космологический постулат

Наконец, начало третьего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904-1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной.

Все эти особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хота существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т. е. ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Последние утверждения часто называют космологическим постулатом. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства - времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества.

В зависимости от кривизны пространства различают:

* открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю,

* замкнутую модель с положительной кривизной. Расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле.

Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

Такая модель «горячей» Вселенной впервые была выдвинута Г. А. Гамовым и впоследствии названа стандартной.

Известный американский астроном Карл Саган (р. 1934) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда - 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

Всеобщая хронология:

? 20 млрд. лет назад - Большой взрыв

? 3 млн. спустя - образование вещественной основы вселенной (фотоны, нейтрино, антинейтрино, с примесью ядер водорода, гелия и электронов)

? Через несколько сотен тыс. лет - появление атомов легких элементов

? 19-17 млрд. лет назад - образование Галактик

? 15 млрд. лет назад - появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов

? 5 млрд. лет назад - рождение Солнца

? 4,6 млрд. лет назад - образование земли

? 3,8 млрд. лет назад - Зарождение жизни

? 450 млн. лет назад - появление растений

? 150 млн. лет назад - появление млекопитающих

? 5-2 млн. лет назад - начало антропогенеза: появление человека вида прямоходящий.

2. Стандартная модель эволюции Вселенной

2.1 Микроэволюция и макроэволюция Вселенной

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия Плотность материи равнялась приблизительно 1093 г/см3. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти "большой взрыв", с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой поэтому также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции.

Полагают, например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно - фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия.

Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью "горячей" Вселенной. Оно сохранилось до наших дней и наблюдается именно как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрии и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрии, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель, которая строится для объяснения современного ее состояния, в частности, расширения Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, а именно такими разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд е-, и позитрон с противоположным положительным зарядом е+. Их взаимодействие при столкновении приводит к образованию двух фотонов.

Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения. По-видимому, здесь мы встречаемся с исторической реконструкцией. Так как частицы вещества и антивещества при взаимодействии аннигилируют, т.е. е-+е+2у, то предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от мира антивещественного. Иначе он не мог бы существовать в силу процессов аннигиляции вещества и антивещества.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.

На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранилась симметрия.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы-протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над излучением, которое оценивается примерно как излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованьями планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание» их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрии в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд. лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрии между различными физическими взаимодействиями.

В настоящее время различают четыре типа физических взаимодействий. Непосредственно мы можем воспринимать два их типа:

* гравитационные взаимодействия, т. е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и притом на достаточно далеких расстояниях. Именно они, как хорошо известно, определяют движения планет, звезд, галактик и других космических систем;

* электромагнитные силы, которые играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов и всех тел и систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром, состоящим из космических объектов и систем.

Остальные два типа физических взаимодействий (ядерные и слабые) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира. Следует, впрочем, отметить, что приведенная характеристика четырех типов взаимодействий относится лишь к их современному состоянию. В ходе эволюции Вселенной они соотносились иначе, а на первоначальном этапе, когда Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия - со слабыми взаимодействиями. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас видимый мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития.

Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Освобождение гравитационных сил, произошедшее вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно 700 000 лет после взрыва, привело к образованию звезд, галактик, их скоплений и других космических систем. В свою очередь гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции.

Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на земле и социально-экономическая и культурно-историческая эволюция человечества.

2.2 Биологическая и экологическая эволюция

Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы из существовавших в разное время биологических знаний. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы выявить в дальнейшем специфику социальных процессов, а во-вторых, показать ошибочность редукционистских и социал-дарвинистских взглядов на общество.

Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Началом предбиотической эволюции было постепенное возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из неорганических. Быть может, недоставало лишь высокой температуры для химического синтеза, но такую температуру могло вызвать воздействие ультрафиолетовых лучей или электрических разрядов. Такая возможность действительно была доказана экспериментально, а поэтому сама гипотеза представляется достаточно обоснованной. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже гипотеза 1938 г. Александра Ивановича Опарина (1894-1980), хотя и постулировала процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала роль среды в дальнейшей эволюции жизни.

Парадигма самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические, а из последних - первые живые клетки. Согласно гипотезе немецкого физико-химика Манфреда Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и в свою очередь передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую М. Эйген называет гиперциклом. В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала без ядер, называемые прокариотсши, а затем с ядрами - эукариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации и конкуренцию с другими системами для отбора. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли из самоорганизации структур.

В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения химических реакций, дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенных М. Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается быстрорастущим метаболизмом, связанным с синтезированием богатых энергией молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Примечательно, что вирусы, лишенные способности к метаболизму, внедряются в клеточные организмы и начинают пользоваться их метаболической системой. Особо следует отметить, что в ходе самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними неизбежно связан отбор.

Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления, как заявляли некоторые авторитетные биологи. Если самоорганизация при наличии соответствующих условий может возникнуть в самом фундаменте здания материи, то вполне обоснованно предположить, что на более высоких уровнях организации она может закономерно привести к возникновению жизни во Вселенной. Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 500 миллионов лет назад. Такое предположение представляется достаточно обоснованным, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и отдавать свободный кислород в атмосферу. Спустя примерно 50 миллионов лет после растений появились первые животные - гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

Заключение

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей.

Считать ли Вселенную бесконечной или конечной - зависит от конкретных эмпирических исследований и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства - времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной - замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием, так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи.

Хотя никакого окончательного вывода о том является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения.

Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала «большого взрыва» составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Список используемой литературы

1. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко. - М., 2007.

2. Концепции современного естествознания / Под ред. проф. Самыгина. - Ростов н/Д: «Феникс», 2006.

3. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М., 2006.

4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 287 с.

5. Салопов Е.Ф. Концепции современного естествознания.- М.: Владос, 2006.