Концепции современного естествознания

Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые птицы 27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно в 22 час. 30 мин.

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности была больше 10 13 по шкале Кельвина (в которой начало отсчета соответствует - 2730 С). Плотность вещества примерно 10 93 г/см3. Неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судят о состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрыва плотность вещества упала до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно - фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химические элементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникают атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения (остаток от той далекой поры образования нейтральных атомов водорода и гелия).

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур, что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когда температура после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовала в основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны, а из фотонов - электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняется симметрия между веществом и излучением.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерные частицы - протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевес вещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство и разнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразных горных образований, планет, звезд и галактик.

Итак, 15-20 миллиардов лет - примерный возраст Вселенной. Что же было до рождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологии утверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность). Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».

Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновения из «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.

Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, «материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела ...».

Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10-30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.

Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А. Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр. Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.

Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существовании же этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10 раз больше массы самих галактик.

Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять - галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».

Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют в космосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они не смогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная начнет сжиматься.

Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводят аналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдать со стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.

Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.

Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующей Вселенной». Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.

А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной? Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», но что, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвенным подтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо «Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск «мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».

Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.

Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?

Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.

Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».

3. Антропный принцип

Современная наука выдвинула антропный космологический принцип , который заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна лишь при тех значениях универсальных физических констант, которые имеют место в действительности. Этот принцип расшифровывается как «тонкая подстройка» Вселенной: если бы значения физических констант отклонялись бы от существующих, возникновение жизни было бы невозможно в принципе. Значит, возможность жизни заложена в начальных физических условиях существования Вселенной.

В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению констант просто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемую константу сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселенная состояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.

Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительно удобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдатель не мог бы и возникнуть. В этом и заключается так называемый «антропный принцип», сформулированный Б. Картером в форме афоризма: «Я мыслю, следовательно, мир таков, какой он есть». На волне дискуссий о правомерности этого принципа появилось множество его разнородных формулировок. Обычно говорят о слабой и сильной версиях антропного принципа, отличающихся весьма значительно друг от друга. Суть слабой версии состоит в следующем: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей» (Б. Картер). Здесь самим своим существованием наблюдатель ограничивает предмет наблюдения.

Сильная версия антропного космологического принципа постулирует, что биологический отбор фундаментальных констант определяет специфику и структуру Вселенной, что возникновение Вселенной в значительной мере детерминировано существованием человека. Сильного принципа придерживаются Б. Картер, Ф. Холл, Б. де Витт. Американский физик Дж. Уиллер развивает антропный принцип в его сильной версии в рамках концепции «о соучаствующей Вселенной»: «Человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей существование». Эту концепцию он иллюстрирует явлением поляризации фотона, порожденного в самый ранний период существования Вселенной после Большого взрыва.

Основной недостаток антропного принципа заключается в том, что из него не выводится какой-либо предсказательный факт, позволяющий сохранить теорию или отбросить ее. Физики очень надеются на то, что в будущем, в рамках теоретической физики будут найдены способы объяснения совпадения чисел без привлечения биологического факта существования живых существ и человека.

4. Строение и эволюция галактик

В конце XIX века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.

Из чего же состоит Вселенная? Хорошо видимая на ночном небе полоса, густо усеянная звездами, - Млечный путь - представляет собой «вид в профиль» нашей галактики, той к которой принадлежит Солнце. Кроме Солнца, в нее входит еще порядка 150 миллиардов звезд. Галактика огромна, и межзвездные расстояния намного превосходят размеры самих звезд. Но наша галактика не единственна. Существует множество других, столь же гигантских, образующих Метагалактику - всю наблюдаемую Вселенную.

Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:

эллиптические, сфероиды различной сплюснутости, состоящие в основном из старых звезд;

спиральные, в «рукавах», которых находятся молодые звезды;

неправильной формы.

Все они образовались из протооблаков межзвездного вещества, обладающих различными массами и различными моментами количества движения - характеристикой, показывающей, как двигались различные части облаков относительно друг друга. В центрах галактик находятся ядра - компактные скопления огромного количества звезд, выделяющих гигантские энергии во всех диапазонах длин волн.

Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток, то о такой области пространства говорят как об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметно на окружающем фоне. Для сравнения: в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 1019 атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшем вакууме, который может быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 105 атомов.

В 1963 году были обнаружены загадочные объекты - квазары, представляющие собой чрезвычайно компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики).

Основная космологическая проблема - откуда же взялось первоначальное облако межзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, - остается по-прежнему загадочной. Утверждение «Вселенная существовала всегда» оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает так называемый фотометрический парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место «красное смещение». И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, говорить о том, что равномерное распределение вещества сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В результате Большого Взрыва образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом свидетельствует существование так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной и наблюдаемого сейчас в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов. Что же дальше? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звезды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные "капли" превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

5. Строение и эволюция звезд

Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд, можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд. Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы, связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический "ком" начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса "кома" велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического состава исходного облака зависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды. Светимость звезды - это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов. Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21