А система открытого образования концепции современного естествознания курс лекций. Космологическая картина мира

Космологическая картина мира

Современное существование естествознания в ее фундаментальных основаниях не может быть ограничено лишь знанием закономерностей макро-  и микро- миров. Если микромир есть своего рода "стартовая площадка" для "разгона" современной физики, то мегамир есть действительный "полигон" для развертывания этих закономерностей. В этой связи основополагающей системой представлений в качестве общепризнанной выступает так называемая  теория Большого взрыва (Big Beng).

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели "Горячей Вселенной".

Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. нашим соотечественником, физиком Георгием Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до Великой Отечественной войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и в связи с этим обстоятельством научные достижения замалчивались советской официальной наукой.

Вместе с тем, нельзя не отметить, что именно Г. Гамову принадлежат по крайней мере три научных результата "нобелевского ранга": упомянутая выше модель Большого Взрыва, предсказание температуры реликтового излучения и генетического кода ДНК. Кроме того он был отличным популяризатором науки и опубликовал более 20 прекрасных научных книг.

В основе концепции Большого Взрыва лежит положение о наличии некоторого первоначального "сгустка" "первовещества", обладающего колоссальной  первоначальной энергией, который, собственно, и "взорвался".

Однако Г.Гамов не прояснял,  как именно этот сгусток образовался, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии. Наличие этого сгустка и этой энергии Г.Гамов принял постулативно. К числу этих постулатов  относилось и то обстоятельство, что именно огромное радиационное давление внутри этого сгустка и  привело в конечном счете к необычайно быстрому его расширению, именно - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас, и мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2·109 лет тому назад.

Таким образом, факт расширения Вселенной оказывается естественным следствием именно этого Большого Взрыва. Заметим в этой связи, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов теоретически предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия.

Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце.

Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (60%) и гелия (20%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в самих звездах, остальное же их  количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном же пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория Большого Взрыва хорошо согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Вместе с тем существуют вполне определенные гипотезы объяснения образования вышеупомянутого сгустка. В этой связи предполагается, что вышеназванные межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим также, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике - 1 атом/см3, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров.

Именно на таких теоретических основаниях и возникает гипотеза образования вышеназванного сгустка из межзвездной пыли вследствие ее гигантского уплотнения, что впоследствии и привело собственно к взрыву.

Наиболее важным подтверждением теории Большого Взрыва следует считать обнаружение так называемого  реликтового излучения, как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения.

Название "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И. Шкловский. Первоначально, как представляется, это излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также "остыло" и энергия фотонов уменьшилась, то есть возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Г.Гамов как раз и рассчитал температуру реликтового излучения. По его расчетам она составляет 3 K, согласно же современным данным -  2,7 К.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Этот сгусток есть не что иное,  как сама Вселенная,  и Земля находится внутри нее, так что внутри  сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли, или от любого куска вещества в этом  сгустке. Поэтому излучение сгустка "бомбардирует" Землю со всех сторон. Отсюда любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~1010 лет, то огромная начальная температура должна была  уменьшиться, согласно теории, к настоящему времени до средней температуры Вселенной порядка 3 К, а максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 K, должен приходиться на длину волны порядка 0,1 см.

Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 K и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, то есть быть изотропным.

Начиная с 1965 г. проводились многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей как раз температуре равной 3 K. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории Большого Взрыва.

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше?

Общая теория относительности предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс (своего рода "Большой Треск"), в результате которого вновь образуется изначальный сгусток. Тем самым снова будут готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что же дают эксперименты?

Эксперименты такого рода, конечно,  не простые и, скорее, оценочные, так как кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии в звездах, галактической пыли и газе необходимо учитывать также вещество и в межгалактическом пространстве. А вот с этим-то как раз и возникает большая неопределенность.

Прямые эксперименты затруднены здесь тем, что межгалактический водород почти полностью ионизирован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения, причем, вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать эффектов  поглощения ею указанного излучения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто бы подтверждается. Получается, что мы живем в такой вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

Рассмотрим, каким же предполагается поведение горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва.

Известный советский теоретик Я.Б. Зельдович, занимавшийся в том числе и астрофизикой,  заметил, что теория Большого Взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных логических недостатков. Она столь же надежно установлена и верна, сколь верно и  то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели многих противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу.

Однако успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, но и с тем, что у нее  оказалась глубокая связь с теориями физики микромира, в том числе и  физики элементарных частиц, благодаря чему оказалось возможным непротиворечиво объяснить поведение "ранней" Вселенной, причем, как это не парадоксально звучит, буквально по долям микросекунд (и даже более того, отсчет идет от 10 –43 с).

Таким образом, по существу сейчас возникла новая наука - космомикрофизика. Именно в космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва,  расширяющейся и пульсирующей Вселенной, но также и строение материи в виде элементарных частиц и понятия устойчивости-неустойчивости материи, ее симметрии-асимметрии, самоорганизации и эволюции. Модель горячей Вселенной описывает ее в этом смысле,  как "котел кипящих элементарных частиц".

Каков же сценарий, как любят говорить космологи, развития событий по моделям  Большого Взрыва и горячей Вселенной?

Сразу же после Большого Взрыва Вселенная стала представлять собой огненный шар из элементарных частиц и фотонов (свет) огромных энергий со взаимными превращениями. Далее Вселенная стала расширяться с уменьшением своей плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~1025 г/см3) и температурах (~1016 К) вещество может состоять только из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы движутся так быстро, что при своих столкновениях образуются пары новых частиц (частица-античастица). Вообще же говоря, чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при таких  столкновениях.

Здесь предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образующих новую Вселенную непременно изменяется при ее расширении. Когда Вселенной "исполнилось" 10 –43 с, все ее фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность.

Через 10 –23 с наступило время уже тяжелых частиц, точнее того, из чего они состоят, - из кварков. В это время вся Вселенная состояла из кварков и антикварков. По мере уменьшения температуры и с ростом времени уменьшалось число пар этих тяжелых частиц и за счет аннигиляции они быстро исчезали.

Далее, еще через 10 –2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц. Вселенная как бы "омолодилась" и практически стала состоять из легких частиц - лептонов и частиц излучения (фотонов).

Еще дальше во времени (1-20 с) Вселенная, расширяясь дальше, теряет и эти частицы. При аннигиляции они превращаются в фотоны. Фотонам же не хватает энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, и поэтому процессы излучения начинают преобладать над процессами формирования самих частиц.

Через 100 с жизни Вселенной ее температура упала до 109 К и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начинают соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем - лития и бериллия.

По прошествии нескольких часов после Большого Взрыва образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции получил название времени нуклеосинтеза. А дальше счет пошел уже на миллионы лет. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этой энергии у фотонов было значительно больше сил связи, чем у электронов и ядер, и поэтому атомы пока не могли образоваться.

Но затем при уменьшении температуры до 3000 К энергия электромагнитного притяжения ядер и электронов становится уже больше энергии фотонов, и тогда начинают образовываться атомы водорода и гелия. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом,  и как говорят космологи, Вселенная стала "прозрачной".

Предполагается, что с тех дальних времен до наших дней эти фотоны (это излучение) и заполняют нашу Вселенную. За это время температура упала с 3000 К до 3 К. Это и есть реликтовое излучение, о котором уже говорилось выше. Таким образом, можно считать, что реликтовое излучение несет нам информацию о той молодой Вселенной, когда ей исполнилось "всего" 1 миллион лет. Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной:

В начальный период времени "прозрачная" Вселенная была однородным "бульоном" из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно стали возникали области, где плотность материи оказывалась несколько выше. Это, в свою очередь, приводило к увеличению гравитационного притяжения в этих областях, а значит и  к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях испытывали большое число столкновений (объем-то уменьшился!), газ разогревался, шли термоядерные реакции. Давление внутри области стало возрастать и область перестала сжиматься.

Вместе с тем, заметим, что хотя теория  Большого Взрыва в целом и  оправдывает доверие научного мира, но все же некоторые обстоятельства она принципиально  объяснить не может. Так, она, например, не может объяснить конкретную причину того "первотолчка", который как раз и привел к Большому Взрыву. Кроме того, на основании указанной концепции нельзя объяснить, почему мощность взрыва была именно такой, какой была,  то есть не больше и не меньше, где  скорость разлета, и плотность вещества оказались очень близкими  к их  критическим значениям. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, хотя одновременно в меньших масштабах она допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и 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.

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель – теория так называемой "раздувающейся" Вселенной. Эта модель предполагает некоторое хаотическое раздувание всей Вселенной в период времени от 10 –43 до 10 –32 с, и в этом смысле данная теория принципиально связана с физическим понятием вакуума. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике. Согласно этим идеям, Вселенная начала свою жизнь именно  из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения.

С точки зрения современных научных представлений, вакуум есть особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое "ничто", скрытое бытие, содержащее в потенции всевозможные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие вселенные.

Согласно этой модели предполагается, что Вселенная родилась 15-18 миллиардов лет тому назад из вакуума путем спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась.

Вот что говорил по этому поводу Я.Б. Зельдович: "Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трехмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуации негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звезд и в конечном итоге планет и самой жизни".

В этой связи стоит также отметить, что модель раздувающейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме - проблеме множественности миров. В частности, один из создателей модели Расширяющейся Вселенной А.Д. Линде отмечает: "Привычный взгляд на Вселенную как на нечто в целом однородное и изотропное сменяется представлением о Вселенной островного типа, состоящей из многих локально-однородных и изотропных минивселенных, в каждой из которых свойства элементарных частиц, величина энергии вакуума и даже размерность пространства могут быть различны".

В этом смысле можно уже по-другому взглянуть на проблему жизни "разумных" существ в других галактиках. Из вышесказанного следует, что другие галактики могут иметь совершенно другие свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно иных принципах.  И дело здесь не в изменении нашего мышления для возможности понимания другой Вселенной, а в изменении самой структуры, пространственной ориентировки, размерности материального мира.



biofile.ru

Лекция 9. Современная космологическая картина мира и модели Вселенной

 

Основные понятия, включенные в систему тренинг-тестирования:

Вселенная (Универсум);метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; антропный космологический принцип (АКП); гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».

 

Вселенная (Универсум) - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология - один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология- это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии- весь окружающий нас мегамир, вся "большая Вселенная", ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные "протозвездные образования" с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую "ядерную каплю". По каким-то причинам эта "капля " пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется Большим взрывом.

При данной оценке времени образования Вселенной предполагалось, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной - гигантской "ядерной капли", пришедшей в состояние неустойчивости.

В настоящее время космологи предполагают, что Вселенная не расширялась "от точки до точки", а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Современная космология располагает рядом аргументов в пользу картины “пульсирующей Вселенной".Такие аргументы, однако, носят чисто математический характер; главнейший из них -необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос какая из двух гипотез - "ядерной капли" или "пульсирующей Вселенной" - справедлива, мы сейчас не можем. Потребуется еще очень большая работа, чтобы решить эту одну из важнейших проблем космологии.

Идея эволюции Вселенной сегодня представляется вполне естественной. Так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления. Рассмотрим, какие этапы прошло развитие науки о Вселенной в ХХ столетии.

Современная космология возникла в начале XX в. после создания релятивистской теории тяготения. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштейном в 1917 г. Однако она описывала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922- 1924 гг. советским математиком А.А. Фридманом были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться. Такой результат - неизбежное следствие наличия сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься (модель пульсирующей Вселенной). Отсюда следовал пересмотр общих представлений о Вселенной. В 1929г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью астрофизических наблюдений открыл расширение Вселенной, подтверждающее правильность выводов Фридмана.

Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - усегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.

Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные. Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существования в нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета. Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л.Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции, проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур - от космических до социальных.

 

cyberpedia.su

Тема 4 КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ Лекция 9 Современная космологическая картина мира и модели Вселенной

1. Что выражает понятие «физическая картина мира» и какую роль она выполняет в системе физического знания 

2. Какое понятие является ключевым в физической картине мира

3. Как называются три основных физических картины мира последовательно сменявших друг друга 

4. Какие основные идеи, понятия и учения определяли содержание классической механистической картины мира

5. Чем отличалась электромагнитная картина мира в понимании материи

6. Как называется современная физическая картина мира и каким образом она формировалась

7. Какие идеи теории относительности А Эйнштейна входят в содержание современной естественнонаучной картины мира

8. В чем суть концепции корпускулярно-волнового дуализма

9. Какое понимание материи характерно для современной физической картины мира

10. В чем состоит новизна квантово-релятивистской картины мира

Тема 4. КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Лекция 9. Современная космологическая картина мира и модели Вселенной

Основные понятия, включенные в систему тренинг-тестирования:

Вселенная (Универсум);метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; антропный космологический принцип (АКП);гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».

Вселенная (Универсум) - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология - один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология- это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии - весь окружающий нас мегамир, вся "большая Вселенная", ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные "протозвездные образования" с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую "ядерную каплю". По каким-то причинам эта "капля " пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется Большим взрывом.

При данной оценке времени образования Вселенной предполагалось, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной - гигантской "ядерной капли", пришедшей в состояние неустойчивости.

В настоящее время космологи предполагают, что Вселенная не расширялась "от точки до точки", а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Современная космология располагает рядом аргументов в пользу картины “пульсирующей Вселенной". Такие аргументы, однако, носят чисто математический характер; главнейший из них -необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос какая из двух гипотез - "ядерной капли" или "пульсирующей Вселенной" - справедлива, мы сейчас не можем. Потребуется еще очень большая работа, чтобы решить эту одну из важнейших проблем космологии.

Идея эволюции Вселенной сегодня представляется вполне естественной. Так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления. Рассмотрим, какие этапы прошло развитие науки о Вселенной в ХХ столетии.

Современная космология возникла в начале XX в. после создания релятивистской теории тяготения. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштейном в 1917 г. Однако она описывала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922- 1924 гг. советским математиком А.А. Фридманом были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться. Такой результат - неизбежное следствие наличия сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься (модель пульсирующей Вселенной). Отсюда следовал пересмотр общих представлений о Вселенной. В 1929г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью астрофизических наблюдений открыл расширение Вселенной, подтверждающее правильность выводов Фридмана.

Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовымтеории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - усегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.

Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные. Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существования в нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета. Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л.Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции, проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур - от космических до социальных.

Проблема существования и поиска жизни во Вселенной

Представления о том, что Вселенная обитаема, были широко распространены в древности. Можно назвать много имен античных мыслителей от Анаксагора и Демокрита до Лукреция Кара, придерживавшихся этих взглядов. Их аргументы были глубокими, хоть и носили умозрительный характер. Смысл их рассуждений сводился к следующему: поскольку мир образован из единой субстанции (либо воды, либо огня, либо атомов) и подчиняется общему логосу (закону), то в разных частях Вселенной, как и на Земле, должны с необходимостью возникнуть жизнь и разум. Аналогичной аргументации, хотя и в естественнонаучных терминах, в начале ХХ века придерживались К.Э. Циолковский, В.И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден и др. Так, К.Э. Циолковский научно обосновал возможность межпланетных сообщений при помощи ракет, что спустя несколько десятилетий было воплощено в жизнь.

Начиная с 50–х годов ХХ столетия, на первый план выдвигается направление, связанное с поиском радиосигналов. Поскольку радиотелескопы уже в 50–х г.г. были способны фиксировать сигналы, посланные с межзвездных расстояний, то впервые в истории науки открылась возможность поставить поиск сигналов внеземных цивилизаций на опытную научную основу. Первые работы по поиску радиосигналов были выполнены в 1960 году в США Ф. Дрейком, а затем В.С. Троицким в СССР. В 60–х годах ХХ столетия работы по поиску внеземных цивилизаций приобретают характер международных программ получивших название SETI и CETI. Это аббревиатура английских слов, где первая означает поиск внеземных цивилизаций, а вторая – связь с ВЦ. Можно сказать, что с выдвижением этих международных программ проблема существования и поиска жизни во Вселенной стала научной дисциплиной, включающей как теоретические, так и экспериментальные исследования. К середине 80–х годов в СССР, США и некоторых других странах было выполнено несколько десятков программ экспериментальных поисковых работ по обнаружению сигналов разных диапазонных частот электромагнитных волн. Как отмечал В.С. Троицкий, в настоящее время вся совокупность наук позволяет сделать «неопровержимый вывод о возможности и большой вероятности существования жизни, в том числе разумной, в подходящих для этого местах Вселенной, в частности в нашей Галактике». Физика и астрономия установили факт тождественности физических законов во всей видимой части Вселенной. Астрономия показала, что Солнце и наша Галактика (Млечный Путь) по различным параметрам являются «средними», рядовыми объектами Вселенной среди множества себе подобных. Этот вывод получен современными учеными, но его логика эквивалентна рассуждениям античных мыслителей, поэтому, у нас нет оснований пренебрегать взглядами древних мыслителей.

К тому же, для того чтобы возникла жизнь, необходимы определенные атомы. Все живое состоит в основном из водорода, кислорода, азота, углерода и незначительного количества более тяжелых элементов от фосфора и кальция до железа. Эти элементы, как сейчас установлено, возникли в недрах звезд первого поколения. По завершении эволюции звезды следовал ее взрыв, при этом ее оболочка срывалась и разбрасывалась в окружающее пространство. Из этого звездного пепла затем образовывались звезды второго поколения вместе с их планетами, которые содержали необходимые химические элементы и многие низкомолекулярные соединения.

Сложные органические молекулы на образовавшихся планетах могли возникнуть в ходе последующего теплового процесса. Суть этого процесса – в разогреве недр планеты вследствие радиоактивного распада урана, тория и калия –40 и в выносе на поверхность планеты расплавленных масс. Взаимодействие с водой низкомолекулярных полимеров могло привести к образованию сложных органических соединений, послуживших основой для эволюции открытых каталитических систем с последующим образованием простейших живых организмов.

В последние десятилетия астрономы обнаружили в туманностях до 50 различных, в том числе органических соединений. Были обнаружены соединения, являющиеся основой белков живых организмов. Ученые полагают, что в этих туманностях идет интенсивное звездообразование и, возможно, образуются планеты, содержащие низкомолекулярные соединения, которые не обязательно должны разрушиться в ходе конденсации планет.

Космология достаточно надежно установила пути эволюционного синтеза вещества во Вселенной от нуклеосинтеза тяжелых атомов до образования низкомолекулярных и высокомолекулярных органических соединений. Но с астрофизической точки зрения все еще не ясен переход от неживых органических соединений к живым, способных воспроизводиться по определенному генетическому коду. Хотя отдельные отрезки эволюционного пути материи Вселенной еще не ясны, общая цепь прогрессивной эволюции прояснилась и по современным представлениям выглядит следующим образом:

1. Атомные ядра.

2. Атомы.

3. Низкомолекулярные соединения

4. Высокомолекулярные соединения

5. Надмолекулярные соединения (начало жизни).

6. Прокариоты (организмы с неоформленным ядром).

7. Эукариотические формы (организмы, имеющие полноценное ядро).

8. Одноклеточные организмы.

9. Колониальные формы существования одноклеточных.

10.Многоклеточные организмы.

В.С. Троицкий суммировал научные данные, свидетельствующие об эволюции вещества во Вселенной, что, по всей видимости, открывает возможность существования внеземных цивилизаций:

• Тождественность материи, физических и химических законов во Вселенной.

• Ординарность Солнца и Галактики. Большое число солнцеподобных звезд в Галактике и подобных галактик во Вселенной.

• Обилие двойных звезд, косвенные изменения которых указывают на возможность существования внесолнечных планет.

• Обилие низкомолекулярных соединений, обнаруженных в Галактике и других галактиках.

• Открытие химической эволюции Вселенной.

• Существование биологической эволюции на планете Земля, эволюционное возникновение нашей цивилизации.

В.С. Троицкий не приемлет вывода об уникальности человеческой цивилизации. Он сформулировал гипотезу одноразового взрывного происхождения жизни во Вселенной в определенной фазе ее эволюции на подходящих планетах: жизнь – это высшая форма организации материи, и скорее всего она возникла однократно как закономерный этап эволюции Вселенной на сложившихся к тому времени планетах, и позднее она спонтанно не возникала. Из сказанного следует, что жизнь возникла примерно 4 млрд. лет назад. Это значит, что во Вселенной нет слишком большой разницы между технологическими цивилизациями. Может даже оказаться, что земная цивилизация первой вышла на технологический уровень, и мы временно одиноки.

В.Ф. Шварцман также не приемлет вывода об уникальности земной жизни. Он высказал мнение, согласно которому сигналы внеземных цивилизаций, возможно, нами уже принимаются, но «мощность» культурной традиции, в рамках которой они интерпретируются, пока не достаточна для того, чтобы осознать их искусственную природу. Наука, отмечает автор, наиболее развитая, но не единственная форма человеческого знания. Осознание, каких-либо космических сигналов как целенаправленных передач возможно лишь при использовании всей человеческой культуры, а не только науки.

Несмотря на масштабность поисков внеземных цивилизаций, эти работы пока не принесли успешных результатов. Еще в конце 70-х– начале 80-х г.г. ученые разных стран вынуждены были констатировать, что «космос молчит». Так в настоящее время резюмируется отсутствие фактических свидетельств существования ВЦ, – свидетельств, находящихся выше порога наблюдательных возможностей, достигнутых земной цивилизацией. Многие авторы полагают, что вывод о молчании космоса может быть истолкован различными способами:

• В–третьих, не верна теория и внеземных цивилизаций нет вообще, а земля уникальна и цивилизация единственная на ней во всей Галактике.

Таким образом, «молчание космоса» не снимает проблемы существования и поиска жизни во Вселенной. Проделанное переосмысление теоретических посылок и методических приемов подготовило фундамент для дальнейшего продвижения исследований на качественно новом теоретическом и эмпирическом уровне.

Контрольные вопросы

1. Что выражает понятие «Вселенная»

2. Что изучает современная космология как междисциплинарная наука и когда она возникла

3. Каковы современные космологические модели Вселенной

4. В чем суть и содержание концепции Большого взрыва 

5. Что означает понятие «мировые константы» (универсальные постоянные) и их роль в структуре Вселенной 

6. В чем смысл антропного космологического принципа и его методологическое значение для науки 

7. Каковы представления современной науки об астрофизических условиях формирования жизни, разума и цивилизаций

8. В чем суть идей и гипотез Троицкого В.С. и Шварцмана В.Ф. по проблеме существования и поиска жизни во Вселенной 

9. А как бы Вы истолковали «молчание космоса», Ваши аргументы 

textarchive.ru

Космологическая картина мира Химическая картина мира Физическая картина

Космологическая картина мира Химическая картина мира Физическая картина мира Биологическая картина мира

Космология • Модель статической вселенной – А. Энштейн, 1917 г. • 1917 г. – открыт первый внегалактический объект. • Модель пульсирующей вселенной – А. А. Фридман, 1922 -1924 гг. • Модель расширяющейся вселенной – Э. Хаббл, 1929 г. • Эффект «красного смещения» , 1929 г

• 1939 г. – рождение гипотезы о чёрных дырах. • Теория горячей вселенной – Г. А. Гамов, 1946 г. • 1963 г. – открыты квазары. • Реликтовое излучение, 1965 г. • Антропный космологический принцип.

Физическая картина мира — это общее описание природы в физике, общий обзор строения и движения материи. В физическую картину входят основные представления механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики и квантовой физики, а также общие для всех теорий законы сохранения.

• Лучи Рентгена, В. К. Рентген, 1891 г. • Открытие электрона, Дж. Томсон, 1897 г.

• Открытие радиоактивности, А. А. Беккерель, 1896 г. • Открытие протона, Э. Резерфорд, 1913 г

Теория относительности А. Энштейна, 1915 г. - скорость света в пустом пространстве всегда постоянна и равна 300 000 км/с; не зависит от взаимного расположения источника света и наблюдателя; - в двух системах координат движущихся прямолинейно и равномерно относительно друга все законы природы строго одинаковы и нет никаких средств обнаружить абсолютное и равномерное движение; время замедляется, а длина объекта сокращается.

Как атомы и кварки - «кирпичики» мироздания, так законы физики – «кирпичики» познания. Можно отрицать философию, религию, мистику, и это признаётся нормальным. Но с подозрением посмотрят на человека, который выразит сомнение в законе всемирного тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики лежат в основании научного постижения действительности.

Концепции возникновения жизни • креационизм – божественное сотворение живого; • концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; • концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; • концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; • концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

• Эволюционная теория Ж. Б. Ламарка, 1809 г. • Клеточная теория

• Эволюционная теория Ч. Дарвина, 1859 г. • Законы Менделя, 1866 г.

Одной из важнейших задачи биологии является изучение биологических особенностей человека. Человек - продукт развития живой природы. Все процессы нашей жизнедеятельности подобны тем, которые происходят в природе. И поэтому глубокое понимание биологических процессов служит научным фундаментом медицины. Появление сознания, означающее гигантский шаг вперед в самопознании материи, тоже не может быть понято без глубоких исследований живой природы, по крайней мере, в 2 -х направлениях - возникновение и развитие мозга как органа мышления (до сих пор загадка мышления остается неразрешенной) и возникновение социальности, общественного образа жизни. Данные задачи не могут быть решены при помощи физики, химии или космологии.

• Закон сохранения массы вещества, М. В. Ломоносов, 1748 г. • Состав воздуха, А. -Л. Лавуазье, 1775 г.

• Закон кратных отношений, Дж. Дальтон, 1803 г. • Периодическая система химических элементов, Д. И. Менделеев, 1869 г.

Химия - наука о веществах и превращениях их друг в друга является важнейшим разделом современного естествознания. Она имеет большое практическое значение. Еще много тысячелетий тому назад человек использовал химические явления при выплавке металлов из руд, получении сплавов и т. д Почти все отрасли производства связаны с применением химии. Для переработки природного сырья нужно знать и использовать общие законы превращения веществ, все эти знания дает именно химия.

Химия играет большую роль в решении наиболее актуальных проблем современного человечества. К их числу относятся: 1) синтез новых веществ и композиций с заданными свойствами, необходимых для решения различных технических задач; 2) увеличение эффективности искусственных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственной продукции и синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья; 3) разработка и создание новых источников энергии; 4) охрана окружающей среды; 5) выяснение механизма биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях; 6) освоение океанических источников сырья.

Геодезический купол, Ричард Б. Фуллер, 1951 г. Синергетика Термин «синергетика» , Герман Хакен, 1969 г.

Научное сообщество встретило появление синергетики без особых восторгов, более того, градом незаслуженных упреков, обвинений и возражений. В чем только ни упрекали новое научное направление его противники и (не всегда добросовестные) критики: они утверждали, будто синергетика — детонат пустого понятия, и синергетика не имеет ни своего предмета, ни присущего только ей метода исследования, что она излишне математизирована и представляет собой одну из разновидностей физикализма, не обладает непременным атрибутом науки прогностической силой, развивается не интенсивно, а экстенсивно.

Но вот минули три десятилетия, заполненные неустанными трудами проф. Г. Хакена, его сотрудников, учеников и единомышленников, и со всей очевидностью выяснилось, что все опасения, сомнения и упреки несостоятельны и развеялись, как утренний туман.

Современная синергетика стала признанным междисциплинарным направлением научных исследований, которое занимается изучением сложных систем, состоящих из многих элементов, частей, компонентов, которые взаимодействуют между собой сложным (нелинейным) образом.

Разумеется, синергетика — далеко не единственное научное направление, которое занимается изучением сложных систем. Вместе с тем, используемые в синергетике понятия делают синергетический подход уникальным, причем не только в концептуальном, но и в операциональном плане. В отличие от других научных направлений, обычно возникавших на стыке двух наук, когда одна наука давала новому направлению предмет, а другая — метод исследования, синергетика опирается на сходство математических моделей, игнорируя различную природу описываемых ими систем. Бич всех научных направлений, занимающихся изучением сложных систем, состоящих из большого числа взаимодействующих деталей, обилие информации, которую требуется перерабатывать для получения детального описания системы. Чтобы уменьшить объем информации до сколько-нибудь приемлемых размеров, прибегают к так называемому «сжатию информации» , как правило, сопровождающемуся ее частичной потерей. Синергетический подход осуществляет сжатие информации без каких-либо ее потерь - путем перехода от переменных или параметров состояния к параметрам порядка на основе принципа подчинения, причем параметры порядка в свою очередь являются функциями параметров состояния (принцип круговой причинности).

Что же касается обвинения синергетики в физикализме, то они основаны на недоразумении: на первых порах было естественно приводить в качестве примеров систем, подпадающих под «юрисдикцию» синергетики, простейшие из таких систем — физические. Но синергетика, ее идеи, понятия и методы, применимы и к гораздо более сложным биологическим системам, в частности к человеку как биологической особи и как члену сообщества. Синергетика нашла плодотворные применения при исследовании моторной деятельности человека и функционирования самого сложного из известных объектов— самопознающего человеческого мозга.

present5.com

Специфика современной космологической картины мира

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………….3

1. Эволюция Вселенной……………………………………………………4

2. Современная космологическая  картина мира…………………………6

Заключение………………………………………………………………..11

Список литературы……………………………………………………….12

 

Введение

 

Вселенная (Универсум) - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной  изучаются космологией. Космология - один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология- это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии - весь окружающий нас мегамир, вся "большая Вселенная", ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Целью работы является рассмотрение современной космологической картины  мира.

 

1. Эволюция Вселенной

 

Современная астрономия не только открыла  грандиозный мир галактик, но и  обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной  связано возникновение скоплений  галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные "протозвездные образования" с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности  состояния Вселенной. Возникнув  когда-то из сверхплотного сгустка  материи, Вселенная, возможно, уже в  первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось  мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую "ядерную каплю". По каким-то причинам эта "капля " пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется Большим взрывом.

При данной оценке времени  образования Вселенной предполагалось, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной - гигантской "ядерной капли", пришедшей в состояние неустойчивости.

В настоящее время космологи  предполагают, что Вселенная не расширялась "от точки до точки", а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Современная космология располагает рядом аргументов в пользу картины “пульсирующей Вселенной". Такие аргументы, однако, носят чисто математический характер; главнейший из них - необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос какая из двух гипотез - "ядерной капли" или "пульсирующей Вселенной" - справедлива, мы сейчас не можем. Потребуется еще очень большая работа, чтобы решить эту одну из важнейших проблем космологии.

Идея эволюции Вселенной  сегодня представляется вполне естественной. Так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления. Рассмотрим, какие этапы прошло развитие науки о Вселенной  в ХХ столетии.

 

2. Современная космологическая  картина мира

 

Современная космология возникла в начале XX в. после создания релятивистской теории тяготения. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштейном в 1917 г. Однако она описывала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922- 1924 гг. советским математиком  А.А. Фридманом были предложены общие  уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут находиться в  среднем на неизменных расстояниях  друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться. Такой результат - неизбежное следствие наличия сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься (модель пульсирующей Вселенной). Отсюда следовал пересмотр общих представлений о Вселенной. В 1929г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью астрофизических наблюдений открыл расширение Вселенной, подтверждающее правильность выводов Фридмана.

Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - у сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. К тому  времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.

Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Даже схематичная и общая  характеристика идеи возникновения  всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные. Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому  Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической  Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой  подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства  Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существования в нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть  Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов  природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета.  Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается  в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л.Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции,    проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур  -  от космических до социальных.

 

 

Заключение

 

 

Считая от первых наблюдений Слайфера и теоретической работы Эйнштейна, космология превратилась из области  абстрактных и почти фантастических, как казалось, занятий на далекой  периферии тогдашней науки в  одно из центральных направлений естествознания XXI в. Она обладает надежным наблюдательным фундаментом, который складывается из базовых фактов о Вселенной. На нем строится и развивается теория, прочно связанная со всей современной физикой, включая общую теорию относительности, ядерную физику и физику элементарных частиц.

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость»  Вселенной и человека, и фиксирует  это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому  Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Космология ставит новые важные вопросы, выдвигает содержательные идеи и гипотезы, делает смелые предсказания, которые находятся на переднем крае науки. Она дает широкую, богатую  и согласованную картину мира, которая становится сейчас неотъемлемой частью общей культуры человечества. А открытые и нерешенные проблемы в живой, сложной науке всегда есть, да и должны быть — это источник и резерв её дальнейшего развития.

 

Список литературы:

 

stud24.ru

Космологических картинах мира

Пеньков В.Е. КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ В КОСМОЛОГИЧЕСКИХ КАРТИНАХ МИРА Проблема мироздания волнует человечество с древнейших вре­мен. Как устроен мир? Какие законы управляют его развитием? Что находится за его пределами? С чего все началось и чем все закон­чится? Глобальным среди всех подобных вопросов является вопрос о происхождении и развитии Вселенной в целом. Этим занимается наука, получившая название космология. Но как можно судить о Вселенной в целом? Разве можно создать теорию, объясняющую все явления природы? На эти вопросы можно ответить словами В.И. Ленина: “Человек не может охватить=отразить=отобразить природы всей, полностью, ее “непосредственной цельности”, он может лишь вечно приближаться к этому, создавая аб­стракции, понятия, законы, научную картину мира и т.д. и т.п.” [3, 164]. Ка­кая бы хорошая картина мира ни была, она всегда будет ограничена, какие-то данные будут приниматься за исходные постулаты. С разви­тием науки эти данные будут следовать из более общих положений, но появятся новые постулаты, которые новая теория не в состоянии будет объяснить. И так до бесконечности. Еще философ древней Эллады Анаксимандр около 550 г. до н.э. считал, что сущее бесконечно и содержит бесчисленное множество миров. Древнегреческий материалист Демокрит (460-370 гг. до н. э.) говорил, что материя вечна. Звезды по убеждению Демокрита дале­кие солнца, а Млечный Путь - великое скопище звезд. Древние уче­ные не могли этого доказать, их представления о мире были по­строены на интуиции, но остается лишь удивляться гениальности этих предположений, ибо по сути своей они оказались правильными. Первой научной космологической гипотезой была геоцентриче­ская система мира Клавдия Птолемея (II век н.э.). Он в центр мира “поставил” хотя и шарообразную, но неподвижную Землю, вокруг ко­торой обращались все остальные светила. Эта гипотеза верно отра­жала явления только в системе Земля-Луна и не могла просто объяс­нить видимое петлеобразное движение планет. Разрешая эту проблему, Николай Коперник (1473-1543) отбросил догматическое положение о неподвижности Земли... Поставив Землю в число рядовых планет, он указал, что Земля, занимая третье место от Солнца, наравне со всеми планетами движется в про­странстве вокруг Солнца и, кроме того, вращается вокруг своей оси. Сравнивая две системы мира М.В. Ломоносов, писал: Случились вместе два астронома в пиру И спорили весьма между собой в жару. Один твердил: Земля, вертясь, круг Солнца ходит; Другой - что Солнце все с собой планеты водит; Один Коперник был, другой слыл Птолемей, Тут повар спор решил усмешкою своей. Хозяин спрашивал: Ты звезд теченье знаешь? Скажи, как ты о сем сомненье рассуждаешь? Он дал такой ответ: - Что в том Коперник прав, Я правду докажу на Солнце не бывав, Кто видел повара из простаков такого, Который бы вертел очаг кругом жаркого? Гелиоцентрическая система мира Коперника явилась началом ре­волюции в астрономии и мировоззрении. Поскольку Земля лишилась своего центрального положения и стала такой же как все остальные наблюдавшиеся на небе планеты, утверждение церковников о проти­воположности “земного” и “небесного” потеряло смысл. Человек пе­рестал быть “венцом творения”, превратился в обитателя одной из планет Солнечной системы. Из учения Коперника следовал общий вывод о том, что видимое есть только одно из проявлений многогранной действительности, ее внешняя сторона, а истинные механизм явлений лежит гораздо глубже. Понимание этого имело огромное зна­чение для всего последующего развития естествознания. Если рассматривать нашу планетную системы изолированно от других звезд и систем, то Коперник верно объяснил ее устройство. Границы правильных представлений о мире раздвинулись от системы Земля-Луна до Солнечной системы в целом. Следующим шагом в познании была космологическая теория Ньютона. Он не только объяснил, на основе открытого им закона Все­мирного тяготения, движение планет вокруг Солнца, но и рассматри­вал вопрос о Вселенной в целом. Правда под этим словам он понимал лишь видимые звезды и Млечный Путь; с современных позиций мы бы сказали - нашу Галактику. “Мир, сконструированный Ньютоном, привычен и странен. Абсолютно пустое пространство. Оно не имеет границ и подчиняется евклидовой геометрии. Здесь вечно кружатся светила, послушные закону Всемирного тяготения. Что-то вроде пус­того ящика без стенок... Время у Ньютона абсолютно... Ход времени равномерен и синхронен во всех точках пространства и ни от чего не зависит. Часы идут абсолютно одинаково во всех уголках Вселенной.” [4, 55-56]. Если рассматривать только нашу Галактику и не учитывать сла­бые проявления гравитационного поля, то теория Ньютона может счи­таться правильной за исключением бесконечности пространства. Та­ким образом, наука сделала еще один шаг в познании мира. Однако, ньютоновская космология не отвечает на вопрос о при­роде тяготения, и внимательный анализ показал, что она сталкивается с тремя парадоксами, которые не может объяснить. 1. Фотометрический парадокс. Если во Вселенной, поскольку она бесконечна, содержится бесконечное количество звезд, то из любой точки неба к нам должен приходить их свет, и небо должно быть ос­лепительно ярким. 2. Гравитационный парадокс. Пусть Вселенная в среднем равно­мерно заполнена небесными телами, так что средняя плотность веще­ства в очень больших объемах пространства одинакова. Попытаемся рассчитать по закону Ньютона, какая гравитационная сила, вызывае­мая всем бесконечным веществом Вселенной, действует на тело..., помещенное в произвольную точку пространства. Оказывается, ре­зультат расчета неоднозначен, зависит от способа вычисления! 3.Термодинамический парадокс. По второму началу термодина­мики вся энергия замкнутой системы должна перейти в тепловую, по­сле чего уже никакие превращения уже не смогут происходить. Это означает, что Вселенная имела начало и ее ждет конец. Тогда возни­кает вопрос о сотворении мира, и мы вступаем в противоречие с фи­лософским принципом неисчерпаемости материи. Неразрешимость этих парадоксов в ньютоновской космологии требовала новых подходов. В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительно­сти (ОТО), суть которой, по словам самого ученого, состоит в сле­дующем: 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 и про­странство и время.Еще более образно по этому поводу выразился крупный современный физик Дж. Уилер: ОТО можно сформулиро­вать в единственной фразе: Пространство говорит материи, как она должна двигаться, и материя говорит пространству, как оно должно искривляться. Искривленное пространство можно представить себе по аналогии с искривленной плоскостью в виде сферы, только в трех измерениях, в то время как поверхность сферы двумерная. Ясно, что сфера имеет конечную площадь, но безгранична (в двух измерениях). По аналогии пространство Вселенной должно иметь конечный объем, но не иметь границ (в трех измерениях). Искривление пространства происходит за счет движения и взаимодействия материи. На основе ОТО А. Эйнштейн построил свою космологическую модель, которая разрешила все три парадокса. 1. Если Вселенная имеет конечный объем, то и количество звезд в ней ограничено, поэтому они не могут освещать все небо. 2. Как уже отмечалось, теория Ньютона не дает возможности без добавочных предположений однозначно рассчитать гравитацион­ные силы в бесконечной Вселенной. Только теория Эйнштейна позво­ляет рассчитать эти силы без всяких противоречий. К тому же само понятие бесконечности у Эйнштейна приобретает несколько иной смысл. 3.Второй закон термодинамики утверждает, что замкнутая сис­тема самопроизвольно занимает наиболее вероятное состояние, соот­ветствующее максимальному беспорядку. Но Вселенную в целом нельзя считать замкнутой. “Метрические свойства пространства-вре­мени образуют как бы своеобразные “внешние условия” для системы, у которой изучаются статистические свойства. Включать гравитаци­онное поле в состав системы нельзя, так как при этом законы сохране­ния энергии, импульса и момента импульса для нее обращаются в бессодержательные тождества. Но законы сохранения являются основой статистики... полностью определяют статистические свойства замкну­той системы, т.е. все возможные распределения ее подсистем. По­этому при обращении законов сохранения в тождество типа 0=0 изу­чение статистических свойств системы оказывается невозможным. Это и означает, что гравитационные поле не может включаться в со­став системы, а относится к внешним для нее условиям. Причем (и это основное!) эти “внешние условия” не стационарны.” [9,135]. Эйнштейн же рассматривал стационарную Вселенную. Уравнения ОТО дали следующий результат для зависимости ускорения, созда­ваемого силами тяготения от радиуса: (1) где ^ - гравитационная постоянная, М и R - масса и радиус Вселен­ной, с - скорость света, - космологическая постоянная, отвечающая за гипотетические силы отталкивания. Введение этой постоянной является недостатком теории. К тому же из уравнения (1) следует, что при малейшем изменении радиуса равновесие нарушится, и Вселенная будет либо расширяться, либо сжиматься. В 1922 году русский ученый А.А. Фридман нашел общее решение уравнений Эйнштейна и на их основе показал, что Вселенная не мо­жет быть стационарной. Даже сам Эйнштейн, теория которого была положена в основу работ Фридмана, сначала не мог согласиться с подобным, на первый взгляд, фантастическим, выводом. Лишь в мае 1923 года он опублико­вал заявление, в котором признавал правильность парадоксальных за­ключений Фридмана. Надо отдать должное смелости ученого - он не побоялся признать свою ошибку. Прежде чем говорить о фридмановской модели, условимся в тер­минологии, чтобы в дальнейшем не было путаницы. По современным научным данным видимая часть Вселенной, составляет ничтожно ма­лую ее долю, которая называется Метагалактикой. Теория Фридмана рассматривает эволюцию не Вселенной в целом, а лишь эволюцию Метагалактики. Основными постулатами фридмановской космологии являются: 1. Эволюцию Метагалактики определяется только гравитацион­ным взаимодействием. 2. Пространство Метагалактики однородно и изотропно, т.е. не имеет выделенных точек и направлений, если рассматривать доста­точно большие масштабы. На основании этих предположений, которые хорошо согласуются с опытными данными, Фридман построил следующую модель эволю­ции Метагалактики. Ее главная идея состоит в том, что Метагалак­тика возникла около 15-20 миллиардов лет назад в результате грандиозного космического взрыва компактного сгустка сверхплотной мате­рии. На вопросы: за счет чего произошел этот взрыв и откуда поя­вился сгусток материи, - теория не отвечает. Но вся дальнейшая судьба Метагалактики прослеживается достаточно хорошо. В первое мгновение после начала расширения плотность, ско­рость расширения и температура были невероятно высоки, однако эти величины быстро уменьшались. Происходящие на этой стадии ядер­ные реакции привели к образованию гелия, хотя большая доля веще­ства приходилась на водород. Более тяжелых элементов тогда еще не было. Когда температура опустилась ниже 400 К, стали возникать атомы и под действием гравитационных сил началось образование звезд, планет, галактик. Эволюция Метагалактики представлена в таблице 1. [11,192]. Таблица 1. Время от взрыва Температура, К Плотность, кг/м3. Состояние космической материи. 0,01 с 1011 41012 Число фотонов равно числу позитронов, один протон-нейтрон на миллиард фотонов. Несколько секунд 1010 106 Фотоны, нейтрино, электроны, позитроны, протоны, нейтроны. 3 минуты 109 100 Начало образования элементов: дейте­рий, тритий, гелий. 105 лет 1000 10-17 Начало преобладания вещества. 109 лет 10 10-25 Образование звезд, галактик, квазаров. 1010 лет 3 10-27 Современное состояние. Мы очень кратко разобрали качественную теорию вопроса, но теория Фридмана дает и количественные выводы, которые подтвер­ждаются наблюдениями. Первым важным доводом в пользу модели Фридмана является открытое Хабблом в 1929 году космологическое красное смещение линий в спектрах звезд и галактик, по которому определяется скорость их удаления. Чем дальше галактика, тем больше скорость ее удале­ния от нас. Оказалось, что существует именно такая зависимость ме­ж­ду скоростью удаления галактики и расстоянием до нее, какая пред­сказывалась теорией расширяющейся Вселенной, т.е. теорией Фридмана. Вторым доводом является существование реликтового излучения. Это результат эволюции излучения, возникшего в первые мгнове­ния после начала расширения. В соответствии с теорией оно изо­тропно и имеет температуру приближенно 3 К. Это излучение было открыто в 1965 году американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Точный анализ излучения показал, что речь может идти об излучении абсолютно черного тела с температурой 3 К. По­лучено также много подтверждений изотропности этого излучения [11,184-185] И здесь опытные данные подтверждают теорию. В-третьих, из теории следует, что в Метагалактике должны при­сутствовать ядра гелия примерно в количестве 25% от полного коли­чества вещества. Это предсказание также подтверждается наблюде­ниями. В-четвертых, возраст самых старых минералов, когда-либо по­павших из космоса на Землю, оценивают в 14 миллиардов лет. Это по­разительно хорошо согласуется с теорией Фридмана. Этих фактов вполне достаточно, чтобы убедиться в приемлемости космологии Фридмана. Однако, как уже было сказано, она описывает Метагалактику после большого взрыва, ничего не говоря о том, что привело к нему. То есть границы применимости теории не дают воз­можности ответить на вопрос о начале начал. Если применить модель Фридмана к моменту времени t=0, то получится бесконечно большая плотность в бесконечно малом объеме. Но вся история науки говорит о том, что если в теории появляются бесконечные величины, то в данной области эта теория не применима. Это является одной из проблем теории Фридмана. 21010 св.лет. O - наблюдатель L - реликтовые лучи А L L В О Рис.1. “Проблема горизонта” в космологии Фридмана. Вторая проблема состоит в объяснении второго постулата об од­нородности и изотропности Метагалактики. Световой сигнал, идущий из точки А (рис.1) и вышедший практически в момент начала расши­рения Вселенной, еще не успел дойти до точки В. Так как быстрее света ничто не может распространяться, то точка В не может иметь никаких сведений об условиях в точке А. Как же в таком случае полу­чилось, что условия в точках А и В совершенно одинаковые? Когда из точки А выходил сигнал, она находилась далеко за пределами гори­зонта видимости, очерченного в этот момент вокруг точки В. Нет ни­каких причин для выравнивания или “согласования” условий в этих точках, раз они не успели с начала расширения обменяться даже сиг­налами. И тем не менее условия в них одинаковы. Почему? Это и есть загадка - проблема, которую должна решить теория. Проблема полу­чила название “проблема горизонта”. В-третьих, в 80-х годах нашего столетия астрономы разглядели еще один космический “этаж”. Выяснилось, что, как и сами галактики, их скопления тоже редко бывают изолированными. И вот что самое интересное. Оказалось, что форма сверхскоплений не комковатая, как это обычно бывает, когда на материю действуют сжимающие ее силы всемирного тяготения, а нитеобразная.Это открытие никоим обра­зом не укладывается в модель Фридмана. В-четвертых, если построить график распределения частиц в за­висимости от их массы (рис.2), [6,145] то легко видеть, что электрон явно выпадает из общего ряда. Это выглядит как очень большая флуктуа­ция, вероятность такого отклонения менее одной миллионной. При­чем, такая ситуация необходима. Если бы масса электрона лежала правее пунктирной линии, то атом водорода был бы неустойчив, что привело бы к невозможности образования химических элементов со всеми вытекающими отсюда последствиями. В-пятых, протон и нейтрон - похожие частицы, отличающиеся лишь зарядами и небольшой разностью масс. Такие семейства похо­жих частиц получили название изотопических мультиплетов. Если по­смотрим на список разности масс в других подобных семействах... то увидим, что m для протона и нейтрона заметно меньше их всех. Снова флуктуация! И опять, заметьте, такая, чтобы выполнялось не­равенство, необходимое для существования сложных структур. Если бы разность масс протона и нейтрона лежала выше пунктирной линии (рис.3) [6,145], невозможно было бы существование атома дейтерия, без которого тоже не смогли бы образоваться более сложные химиче­ские элементы. Откуда такое удивительное совпадение? В-шестых, в первые секунды расширения Вселенной число частиц и античастиц было не в точности одинаково. На каждые миллиард пар частиц-античастиц приходилось одна “лишняя” тяжелая частица! С понижением температуры миллиард пар проаннигилиро­вали, а эта лишняя частица осталась. Из таких оставшихся частиц и возник весь окружающий нас сегодня мир - мир звезд, планет, газа. Опять мы видим какую-то странную ситуацию: миллиард пар и одна лишняя частица. Откуда она взялась, и почему одна на милли­ард? Все эти проблемы фридмановской космологии разрешила гипо­теза петербургского физика А.Д. Линде, высказанная им в 1986 году совместно с А.А. Старобинским (Россия) и А. Гутом (США). Рассмот­рим ее основные положения. С современных позиций вакуум является весьма любопытной и богатой средой с точки зрения происходящих в ней процессов. “согласно знаменитому соотношению неопределенностей... в прин­ципе даже в самом “пустом” пространстве напряженности физических полей всегда отличны от нуля. Поля флуктуируют относительно нуле­вых средних значений, и такие флуктуации (или возмущения) неиз­бежно должны быть и в распределении плотности вещества даже в самом однородном мире.” [5, 3-4]. Это приводит к тому, что в вакууме непре­рывно рождаются и исчезают, так называемые, виртуальные частицы. Если им передать достаточное количество энергии, они могут превра­титься в реальные. С точки зрения гипотезы А. Линде вся Вселенная была заполнена вакуумом, находящимся в стационарном, но возбужденном энергети­ческом состоянии, гораздо более высоком, чем современное. Благо­даря квантовой флуктуации в каком-то месте образовался квант про­странства-времени, и началась цепная реакция, которая привела к тому, что за время, равное 10-35 с кванты пространства-времени обра­зовались в объеме в раз превышающем размеры Метагалак­тики. [8, 29]. Вакуум перешел в менее возбужденное состояние, а вся его энергия пошла на образование излучения и вещества Вселенной. “Если до возмущения плотность энергии... была чрезвычайно высока, то после распада она оказывается очень малой. Во время перехода вакуума из одного состояния в другое осуществляется также трансформация ре­жима раздувания в фридмановский режим. Вселенная распадается на множество Метагалактик. Совершенно не очевидно, что эти метага­лактики должны быть тождественны друг другу.” [7, 10]. Это и понятно, ведь объем Вселенной становится таков, что уда­ленные ее части после раздувания оказываются совершенно не свя­занными, и каждая метага­лактика будет развиваться по-своему. Неко­торые будут неограни­ченно расширяться, некоторые пульсировать, некоторые сжиматься и вновь приходить в состояние высокоэнергети­ческого вакуума, взры­ваться снова и порождать новые метагалактики. Наша Метагалактика после раздувания стала расширяться по мо­дели Фридмана. Таким образом, гипотеза А. Линде включает в себя всю фридмановскую космологию и расширяет, вдобавок, представле­ния о происхождении Вселенной. Прямыми наблюдениями этого сделать нельзя, однако косвенных ар­гументов в ее пользу достаточно много. Важно то, что модель внут­ренне непротиворечиво объясняет динамику процесса.К тому же она разрешает все проблемы фридмановской модели. 1. Согласно А. Линде, Вселенная начинает развиваться не из сгу­стка материи с бесконечно большой плотностью, а из вакуума, плот­ность которого 1097 кг/м3 с размером кванта пространства 10-35 м. Та­ким образом, снимается проблема бесконечных величин. 2. Поскольку, в начальный момент времени раздувание Вселен­ной шло из одной точки (но не бесконечно малой), то ясно, что все области Метагалактики были причинно связанными, таким образом снимается проблема однородности. 3. Как показывают расчеты, некоторая часть вакуума могла ос­таться в высокоэнергетическом состоянии. Во Вселенной “...остались пограничные стенки и жгуты-струны, состоящие из “первобытного” вещества... По сравнению с современным, оно выглядело бы как чрез­вычайно плотная, очень тяжелая среда, и несмотря на то, стенки и струны с запаянным в них “первобытным вакуумом” были невероятно тонкими,... их масса была колоссальной. Крошечный кусочек пленки “консервированного вакуума” весил больше, чем целая галактика.” [2, 42-43]. Далее, под действие гравитации, стенки разрушились и образовали те самые нити, вдоль которых и располагаются скопления галактик, об­разуя сетчатую структуру. 4. Последние три из названных проблем фридмановской космоло­гии объясняются моделью А. Линде следующим образом. Все их можно разрешить, если предположить, что природа действовала мето­дом проб и ошибок. Еще в 1967 году академик А.Д. Сахаров показал, что протон нестабилен, и за счет этого может получиться несимметрия тяжелых частиц и античастиц.[5, 4]. Если в Метагалактике случайным об­разом на начальной стадии расширения распался один антипротон на миллиард пар частиц-античастиц, то на современном этапе это и при­вело Вселенную к настоящему состоянию с преобладанием в ней ве­щества. Как уже отмечалось, масса электрона и разность масс протона и нейтрона тоже являются случайными и весьма значительными от­клонениями от “нормы”. Малое изменение фундаментальных посто­янных должно обязательно привести к обеднению мира. Более того, оказывается, что существующие в нашей Метагалактике значения фундаментальных постоянных, как правило, являются гигантскими флуктуациями. Тогда возникает естественный вопрос: почему в нашей Метагалактике существует набор фундаментальных постоянных, обеспечивающий многоцветие, сложность ее структуры? Если не выхо­дить за рамки физических представлений, то ответ будет единствен­ным: существует множество метагалактик с разными структурами, бо­лее простыми чем наша Метагалактика. Реализация в ней сложной структуры есть следствие некоего вероятностного закона и является большой флуктуацией. Но существование множества метагалактик - основное следствие модели раздувающейся Вселенной. Итак, основные проблемы космологии Фридмана разрешаются в гипотезе А. Линде. И, кроме того, она еще дальше проникает в про­блему мироздания. На основании этого можно утверждать, что она по сути своей верна и правильно описывает поведение Вселенной в рам­ках границ применимости. Но и эта гипотеза отвечает не на все вопросы. Главный из них: откуда взялся вакуум? На этот вопрос отвечает Г. Шипов в теории физического вакуума, построенной им в 90-х годах ХХ века. [10]. Суть данной теории сводится к следующему. В природе существует семь уровней реальности: твердое тело, жидкость, газ, плазма, вакуум, первичное торсионное поле (или поле сознания) и абсолютное ничто. Абсолютное ничто представляет собой своеобразную среду, которая содержит в себе программу, матрицу возможного, в которой заложены структура и свойства всех остальных уровней реальности, и которая при соответствующих условиях может породить материю с определенными свойствами. Как отмечается в работе А.Е. Акимова: “Для того, чтобы эта матрица возможного, этот план был реализован, необходимо некоторое активное воздействие или, как бы мы сказали, для этого нужны воля и сознание. Помимо наличия самих матриц, воля и сознание – это те два свойства, которыми неотвратимо должен обладать данный уровень. Их роль состоит в осознанной реализации тех планов и возможностей, которые в абсолютном ничто потенциально существуют.” [1, 11]. Таким образом, в концепции Акимова сознание выступает как один из компонентов мироздания, который непосредственно связан с материей, или более того является наряду с полем и веществом одним из ее видов. Тогда оказывается, что вообще невозможно оторвать сознание от материи, невозможно противопоставлять материальное и идеальное. Они являются неразрывными, различными проявлениями одной и той же субстанции. Поэтому спор между идеализмом и материализмом на протяжении многих столетий был просто бессмысленным.[1, 52]. На наш взгляд, это не совсем полная картина, поскольку в структуру мироздания необходимо включить также и информацию. Вселенная появляется путем перехода информации на уровень материального плана. Переходя в материю, информация обогащается опытом, возвращается к своему источнику, а затем вновь “спускается” в материю, что позволяет материи, в свою очередь, переходить на более высокий уровень самоорганизации. (В скобках заметим, что один из таких переходов был осуществлен в соответствии с теорией Линде). Причем переход информации в материю и обратно осуществляется путем сознательного регулирования. При этом сознание отчасти проявляется в материальном плане, а отчасти в информационном. Это как бы мостик между материальным и информационным компонентами бытия. На информационным плане бытия происходит чисто информационный обмен, не обладающий никакими энергетическими характеристиками. Поэтому воздействие его на материальный план не может быть непосредственным. Более того, информационный процессы в какой-то степени не подчиняются законам материального мира. Так, например, скорость передачи информации (без переноса энергии) может быть сколь угодно велика, вопреки теории относительности. Поэтому информационную среду в современном понимании нельзя считать материальной, либо надо изменить определение материи. Более того, как отмечает А.Е. Акимов, передача информации не может происходить иначе, как мгновенно. Скорость появляется только тогда, когда есть понятие энергии. Если нет энергетического параметра, то отсутствует и параметр скорости. Если в среде первичного торсионного поля мы возьмем две точки, на преодоление расстояния между которыми свет тратит 15 млрд. лет, то взаимодействие между ними будет осуществляться мгновенно. [1,13]. Это еще один вариант решения фридмановской проблемы горизонта. Но каким же образом информация может воздействовать на материю? Как уже отмечалось выше, переход информационного плана на материальный и обратно осуществляется путем сознания, которое, на наш взгляд, необходимо рассматривать не как один из видов материи, а как третий самостоятельный компонент бытия. Таким образом, эволюция Вселенной происходит на основе триединства материи, информации и сознания. Причем вопрос о первичности того или иного компонента является некорректным, поскольку только в триединстве указанные составляющие могут существовать и развиваться. Чистая информация не сможет обогащаться опытом, и развития не будет. Чистое сознание не сможет найти “точки приложения” без материи и не сможет целенаправленно действовать без соответствующей информационной составляющей. Материя без сознательного и информационного компонентов не сможет развиваться по пути самоорганизации. Использованная литература: Акимов А.Е. Облик физики и технологи в начале ХХI века. – М., 1999. Барашенков В.А. Когда рвутся космические струны. Ч.2 // Знание-сила, N 1, 1990. Ленин В.И. ПСС, т. 29. Лесков Л.В. Космос Ньютона \\ Земля и Вселенная, N 2, 1990. Муханов В.Ф. О работах А.Д. Сахарова по космологии и гравитации \\ Земля и Вселен­ная, N 2, 1990. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - М.: Наука, 1988. Розенталь И.Л. Метагалактика и Вселенная \\ Земля и Вселенная, N 1, 1989. Табачинский В.Ф. Расширяющаяся Вселенная и космическое время. - Л.: Знание, 1987. Философия естествознания. Изд-во полит. литературы. - М, 1966. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. Теории, эксперименты и технологии. - М.: Наука, 1997. Шмутцер Э. Теория относительности современное представление. Путь к единству физики. - М.: Мир, 1981.

edu.znate.ru

Философская и научная картины мира. Формирование научной концепции развивающейся Вселенной. (Основные космологические модели современной науки).

Научная картина мира — множество теорий в совокупности описывающих известный человеку природный мир, целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания[3]. Картина мира — системное образование, поэтому её изменение нельзя свести ни к какому единичному (пусть и самому крупному и радикальному) открытию. Речь обычно идет о целой серии взаимосвязанных открытий (в главных фундаментальных науках), которые почти всегда сопровождаются радикальной перестройкой метода исследования, а также значительными изменениями в самих нормах и идеалах научности[3].

Научная картина мира — особая форма теоретического знания, репрезентирующая предмет исследования науки соответственно определенному этапу её исторического развития, посредством которой интегрируются и систематизируются конкретные знания, полученные в различных областях научного поиска[4].

Для западной философии середины 90-х годов XX века отмечались попытки ввести в арсенал методологического анализа новые категориальные средства, но вместе с тем чёткого разграничения понятий «картина мира» и «научная картина мира» не проведено. В нашей отечественной философско-методологической литературе термин «картина мира» применяется не только для обозначения мировоззрения, но и в более узком смысле — тогда, когда речь заходит о научных онтологиях, то есть тех представлениях о мире, которые являются особым типом научного теоретического знания. В этом значении научная картина мира выступает как специфическая форма систематизации научного знания, задающая видение предметного мира науки соответственно определенному этапу её функционирования и развития[5].

Также может использоваться словосочетание естественно-научная картина мира[6].

В процессе развития науки происходит постоянное обновление знаний, идей и концепций, более ранние представления становятся частными случаями новых теорий. Научная картина мира — не догма и не абсолютная истина. Научные представления об окружающем мире основаны на всей совокупности доказанных фактов и установленных причинно-следственных связей, что позволяет с определённой степенью уверенности делать способствующие развитию человеческой цивилизациизаключения и прогнозы о свойствах нашего мира. Несоответствие результатов проверки теории, гипотезе, концепции, выявление новых фактов — всё это заставляет пересматривать имеющиеся представления и создавать новые, более соответствующие реальности. В таком развитии — суть научного метода.

Вселенная (Универсум) – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называетсяМетагалактикой, или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология – один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология – это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии.Предмет космологии– весь окружающий нас мегамир, вся «большая Вселенная», ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого «Большим Взрывом», в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.

Согласно предположениям ученых, спустя 10 в минус сорок третьей степени секунд после «Большого Взрыва» плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (10 в 94 степени грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической «пустоты» был незаметен. Однако в холе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секунды после «Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится больше ее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума - его силы отталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33 степени секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. В результате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от одной фаза переходит в другую. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима ее расширения.

Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий – принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.

Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.

 

megalektsii.ru

---

• 
  Картины пиросмани тбилиси
• 
  Картина летние радости
• 
  Картина качели фрагонар
• 
  Картина весна девушка
• 
  Картина бабушкины сказки
• 
  Вакх картина рубенс
• 
  Вакх рубенс картина
• 
  Метафизическая картина мира
• 
  Библейский жанр картины
• 
  Фрагонар качели картина
• 
  Фрагонар картина качели