Тема 7. Современная космологическая картина мира и модели Вселенной
Основные понятия:
Вселенная (Универсум); метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; инфляционная теория, реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; Великое объединение, Суперобъединение, антропный космологический принцип (АКП); гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».
В истории культуры можно найти множество попыток ответить на вопрос о происхождении мира. Таковыми являются мифологические, религиозные, научные. Однако, только наука способна в силу своей специфики дать рациональное обоснование этой проблеме. Прежде всего, нужно сказать о различии трех близких по смыслу понятий, а именно таких, как бытие, универсум и Вселенная . Понятие бытие является философским и обозначает все существующее, бытующее. Понятие универсум употребляется в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое. Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание.
Вселенная – 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 .
Можно отметить размеры Метагалактики: радиус космологического горизонта составляет приблизительно 20 млрд световых лет. Световы м годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/сек (скорость света в вакууме) преодолевает за один год, то есть составляет 10 триллионов километров. Строение и эволюция Вселенной изучается космологией.
Кос мология – 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. Изучение Вселенной как единого упорядоченного целого основывается на следующих предпосылках:
Формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной.
Производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную.
Истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом, на основе которого делается заключение о наличии закона. Ко Вселенной это методологическое правило остается неприменимым, так как наука формирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Поэтому все заключения о происхождении и развитии Вселенной следует считать не законами, а моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, вся «большая Вселенная».
Задача космологии состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции нашей Вселенной. Поэтому выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение и опираются на данные астрономии и астрофизики.
Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики; космическую распространенность химических элементов; реликтовое излучение, свидетельствующее 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. Космогонией (от греч. «космос» и «гонейа» – зарождение) называют раздел астрономии, занимающийся вопросами происхождения и развития небесных тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).
Современная космология как наука о строении и эволюции Вселенной еще очень молодая наука, возникшая в начале ХХ века. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они выступают предысторией научной космологии. Лишь создание общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую строго научную эру развития этой дисциплины. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А.Эйнштейном в 1917 году. Однако она описывала стационарную Вселенную, и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух, в прошлом различных, отраслей знания – космологии и физики элементарных частиц в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной – не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.
Наиболее общепринятой в современной космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной . В основе этой модели лежат два предположения:
свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);
наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна.
Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
принципом относительности (во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга);
экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман. Однако на этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу.Это объясняется эффектом Доплера (при удалении от нас какого-либо источника колебаний, (излучений) воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается); при излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Таким образом, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу о расширении Метагалактики, т.е. видимой части Вселенной.
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 увеличивается на 75 км/сек 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» . Стоит сказать, что этот взрыв не является подобием обычного взрыва на Земле, который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства. «Большой взрыв» произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство. Наблюдаемая нами 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. Это предшествующее взрыву особое состояние ученые называют «сингулярным». Оно отличалось бесконечной плотностью массы, бесконечной кривизной пространства, столь высокой температурой, при которой еще неразличимы вещество и излучение и т д. Считается, что именно в «окрестностях» сингулярности закладывались и материал строения, и константы, и законы современного состояния эволюции Вселенной.
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 сопровождался свободным падением частиц облака к его центру – происходило 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.
Таким образом, согласно представлениям современной науки, наша Вселенная возникла примерно 20 млрд лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества.
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. Такая модель имеет название «пульсирующей Вселенной ». Современная космология располагает рядом аргументов в пользу данной модели. Однако они 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, сейчас невозможно.
Начиная с конца сороковых годов прошлого 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 показывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (на 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 – фоновое космическое излучение, возникшее вследствие аннигиляции вещества и антивещества, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела. Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели эволюции Вселенной. В 1964 году американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вилсоном был зарегистрирован радиошум, который оказался шумом, соответствующим реликтовому излучению. Излучение это должно было выжить в процессе расширения Вселенной, вследствие которого температура его должна была постепенно понижаться и на сегодняшний день составлять примерно 3 градуса Кельвина.
Таким образом, можно подытожить, что начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): – это бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц.
Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом.
Вакуум – это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. По современным научным представлениям, вакуум является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы. Квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него вещество. Рождение Вселенной «из ничего» означает ее самопроизвольное возникновение из вакуума в результате случайной флуктуации (случайное отклонение системы от равновесного положения). Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются.
Между тем, сейчас, на самых различных структурных уровнях и отрезках пространственно-временной шкалы приходится допускать флуктуации как случайные, вероятностные отклонения от равновесных состояний. Необходимость и неизбежность возникновения сколь угодно больших неравновесных областей видел уже Л. Больцман более сотни лет назад. Во второй половине XX века появляется «вселенная Терлецкого», сплошь заполненная гигантскими флуктуациями; сейчас уже речь пошла о «статистической термодинамике гравитирующих систем» (то есть происходит своего рода переход от «специальной» теории флуктуации к «общей»). И в этой связи ученые говорят о вакууме как порождающей структуре, в некотором роде сам вакуум предстает как гигантская флуктуация. Так или иначе, флуктуации – не отклонения, а норма, или форма существования статистически равновесных состояний (К.П. Станюкович, И.Р. Плоткин), перехода на новые «листы развития».
Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная – это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от лат. inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной – «ложный» вакуум. Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум – это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, в результате которого появилась жизнь нашего типа.
Стоит отметить, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства – времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной. Однако возникают вопросы: что же было тогда, когда не было ничего? что находится за пределами расширения? Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Тем не менее, формулировки и возможные обоснования ответов на эти вопросы, являющиеся не столько научными, сколько натурфилософскими существуют.
Космогония считает бессмысленным вопрос о начале мира и о происхождении всей «большой вселенной». Весь опыт человечества показывает, что материя несотворима и неуничтожима, т.е. не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она лишь меняет форму своего существования. В основе научной космогонии лежат: закон сохранения энергии при возможности перехода ее различных видов друг в друга и закон сохранения вещества.
Космогония опирается не только на всю совокупность наук о природе, но и на философию. Основная трудность решения вопросов космогонии состоит в том, что небесные тела развиваются и меняются чрезвычайно медленно. В сравнении с возрастом науки возраст небесных тел необычайно велик. Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитывается миллиарды звезд. Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 000 световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной 1500 световых лет. На расстоянии около 30 000 световых лет от центра галактики расположено Солнце. Ближе всего к нашей галактике «туманность Андромеды». Она названа так, потому что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект.
Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. А в 1963 году были открыты квазары – квазизвездные источники энергии, предположительно являющиеся протоядром новых галактик. Возможно, они представляют собой особую точку Вселенной, в которой сохранилось сверхплотное вещество. Открытие квазаров свидетельствует о том, что процесс образования новых галактик продолжается и поныне.
Неклассическое естествознание позволило разрешить классические парадоксы – фотометрический и гравитационный. Они связаны с тем, что при бесконечном количестве светил в бесконечной Вселенной мы должны были бы иметь залитое светом небо и, соответственно, бесконечную силу тяготения. Оба легко устраняются в концепции расширяющейся Вселенной. Выяснилось, что космологические парадоксы во многом порождены как раз идеализациями. Так, фотометрический парадокс не учитывает наличия потухших звезд (то есть вступает в противоречие даже с I началом термодинамики – законом сохранения энергии). Так же и «тепловая смерть» – она вытекает из объединения статистических закономерностей (энтропии) с представлением о равновесной, нестатистической Вселенной.
А вот о термодинамическом парадоксе следует сказать особо. Любые замкнутые (то есть не обменивающиеся взаимодействиями, информацией) системы ожидает, как уже говорилось, тепловая смерть – переход к состоянию максимального равновесия (или хаоса), в котором уже ничего не может произойти. Так что сама по себе идея расширения Вселенной еще не снимает вопроса. Однако в рамках этой концепции разработан ряд моделей незамкнутых вселенных, взаимодействующих между собой подобно микрочастицам. В ряде моделей вселенная «пульсирует», особые антиэнтропийные свойства порождает включение в картину космологической эволюции, жизни и разума, возможности изменения (эволюции) самих космологических постоянных. Конечно, неизбежно возникает вопрос: «Такая Вселенная (вселенные) – это реальность или теоретический конструкт?» Но о такой постановке вопроса уже говорилось чуть выше. По существу Вселенная (и как реальность, и как теоретический конструкт) – уникальный полигон для выработки и обкатки самых удивительных естественнонаучных идей.
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. Одна 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?
По мере проникновения в тайны строения физического мира от элементарных частиц до галактик ученые не перестают удивляться точно «подобранным» значениям фундаментальных постоянных, удивительному совпадению ряда чисел, построенных из этих фундаментальных постоянных, так называемой «тонкой подстройкой» Вселенной. А если бы в природе реализовалась другая последовательность чисел, какой была бы тогда Вселенная?
Удивительные свойства природы открываются в своеобразной игре фундаментальных природных констант , и оказывается, что в так называемой постоянной тонкой структуре (в ядерной физике) задействованы числа « золотого сечения» (а = 1/137), что существуют поразительные совпадения значений констант в самых различных областях естествознания, взаимосвязь между нижними и верхними пределами шкалы констант.
На протяжении всей истории познания человеческий разум ищет в бесконечном разнообразии окружающего мира повторяемость, устойчивость – константы, инварианты, симметрии. Действительно, такой поиск всегда был путеводной нитью для естествознания. Но стоит найти одну группу инвариантов (величин, законов, остающихся неизменными при определенных преобразованиях), ту или иную форму симметричности, как вскоре обнаруживаются их нарушения в определенных условиях, вынуждающие искать новые, более фундаментальные.
Сама природа подсказывает нам, что элементарные частицы являются своего рода узловыми точками, сгущениями некоего единого поля, а раз так, то первостепенная задача – создать теорию такого единого поля, или единую теорию поля . Чтобы представить себе масштабность такой задачи и одновременно перспективы, открывающиеся ее решением, приведем масштаб природных величин и процессов от атомных до космологических порядков. Радиус протона равен 10 -15 см, а радиус наблюдаемой Вселенной 10 28 см (10 миллиардов световых лет, т. е. расстояние, которое свет пройдет за 10 000 000 000 лет!). На всем диапазоне этой шкалы, охватывающей 43 порядка, природа «играет» четырьмя основными типами взаимодействий. Это:
1) «сильные» взаимодействия между адронами (от греч. адрос – сильный), к которым относятся барионы (от греч. бариос – тяжесть), нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на больших (по меркам микромира) расстояниях (10~ 13 см и состоят в испускании промежуточных частиц, переносящих ядерные силы (пи-мезонов). Одно из проявлений сильных взаимодействий – ядерные силы ;
2) электромагнитные взаимодействия , которые в 100–1000 раз слабее «сильных» и сопровождаются испусканием или поглощением фотонов;
3) «слабые» взаимодействия , радиус действия которых еще на порядок меньше электромагнитных. Именно за счет таких взаимодействий светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон – в нейтрино). Испускаемые нейтрино имеют огромную проникающую способность, они могут пройти через железную плиту толщиной 1 млрд. км. «Слабые» взаимодействия происходят не контактным образом, а через обмен бозонами, виртуальными и нестабильными;
Учебное пособиеБеларусь в качестве учебного пособия для учащихся средних специальных учебных заведений электротехнических специальностей... и электроэнергии; рациональное использование электроэнергии. В учебном пособии значительное внимание уделено решению указанных...
Учебное пособие (37)
Учебное пособиеТеоретических положений, поскольку в процессе написания учебного пособия были использованы изданные в последнее время... и освоить формы самостоятельного контроля. Данное учебное пособие издается повторно, с дополнениями и изменениями. Оно...
Учебные пособия (2)
Учебники и учебные пособияУЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ Сотникова С.И. Музеология: Пособие для вузов. – М., 2004. Лысикова О.В. Музеи мира: Учебное пособие . – М., 2002. Музейное дело... . 152 с. Ревякин В.И. Художественные музеи: Справ. пособие . 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991 ...
Учебное пособие (5)
Учебное пособиеУчебное пособие учебных
Учебное пособие (25)
Учебное пособиеУчебное пособие П Л А В А Н И Е П Р И К Л А Д Н О Е П Л А В А Н И Е ЛАСТОЧКИНА Е. В., АРХИПОВА Р. Э., ВАЩУК О. В., ЛЕОНТЮК А. М., СОКОЛОВА С. С. ... обучение плаванию было введено в программу учебных дисциплин сначала в Морской академии, а затем...
Введение……………………………………………………………………………………3
1. Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание…………………………………………………………………………………4
2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идее гелиоцентризма и становление классической научной космологии………………………………………..5
3. Строение галактик, звезд, планет……………………………………………………..11
4. Концепции происхождения солнечной системы…………………………………….14
Заключение………………………………………………………………………………..17
Список используемой литературы………………………………………………………19
Введение
Космология – один из разделов астрономии. Другие ее разделы изучают конкретные космические объекты с различных точек зрения. Космология же претендует на изучение Вселенной как целого. Точнее, космология есть физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. В этом определении надо различать понятия «учение» и «теория»: учение здесь предполагается более общим понятием, чем теория. Теория – такое учение, которое может и должно быть проверяемо эмпирическими данными, тогда как учение вообще может быть такой проверке и не доступно. Поэтому теория Вселенной как целого невозможна. Но зато возможна теория всего охваченного астрономическими наблюдениями мира. При этом – поскольку никакая часть Вселенной не является физически изолированной системой – теория всего охваченного наблюдениями мира должна рассматривать его как часть Вселенной. В то же время (поскольку космология основывается не только на эмпирических данных, но и на основных законах физики, то есть основных физических теориях, область применимости которых в принципе выходит сколь угодно далеко за пределы охваченного наблюдениями мира) возможно учение о Вселенной как целом, основанное на этих законах. Выводы этого учения, выходящие за границы охваченного наблюдениями мира, не доступны непосредственной эмпирической проверке. Критерием их правильности может служить их сохранение при смене основных физических теорий, лежащих в основе космологии, новыми, более общими и, следовательно, опирающимися на несравненно более широкий круг фактов.
Разумеется, кроме эмпирических и физико-теоретических данных для космологии существенны философские принципы, поскольку она соприкасается с коренными вопросами философии и, кроме того, не может обойтись без далеко идущих обобщений и экстраполяций. Следует заметить, что в применении ко Вселенной словосочетания «как целое» имеет существенно иной смысл, чем в применении к материальному миру: «Вселенная как целое» означает Вселенную в ее отношении ко всем ее частям (областям) и все части Вселенной в их отношении ко Вселенной, иначе говоря, единство всех частей Вселенной. В отношении же к материальному миру словосочетание «как целое» означает единство всех его аспектов (сторон).
1.Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание.
Объектом естествознания является природа, то есть весь окружающий нас мир. Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие "Вселенная". Оно может считаться эквивалентом понятия "природа". В более узком смысле под Вселенной понимается окружающий нас мегамир - совокупность макроскопических тел, их систем астрономического (то есть гигантского) масштаба. Макроскопические тела - это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов, молекул). Более конкретно, мегамир - это мировое пространство, небесные тела, их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом. Значение слова "космос" в греческом языке - "порядок, гармония, красота". Это слово родственно слову "косметика", смысл которого "искусство украшать". Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор. Понятие "космос" часто используют в качестве синонима понятия "Вселенная". В популярной литературе "космическое" очень часто противопоставляют "земному", хотя Земля объект Вселенной.
Наблюдаемая область Вселенной называется Метагалактикой. Ее границы по мере совершенствования астрономических инструментов расширяются, но существует принципиальный предел, обусловленный конечностью скорости света. В настоящее время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).
Используемый термин "мегамир" наиболее абстрагирован от понятий конкретных наук, более других терминов наполнен физическим содержанием.
Изучение Вселенной началось, продолжается в течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило почти исключительно оптическими методами. Это связано с тем, что человеческий глаз оставался единственно возможным приемником электромагнитного излучения, к тому же очень чувствительным. Кривая видности (спектральной чувствительности) человеческого глаза соответствует кривой распределения энергии в спектре Солнца. Поэтому доступной областью излучения космических тел был диапазон от 0.4 до 0.7мкм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими; изучалось только расположение светил, их видимое движение на небесной сфере.
Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира - Птолемея, Коперника. Сейчас астрономы научились определять расстояния, как до тел Солнечной системы, так, более удаленных объектов: звезд, галактик. Тем самым удалось представить геометрическую структуру мира.
Оптические наблюдения, в настоящее время не потеряли своего значения. Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе, нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Наблюдения в рентгеновском, g-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни (пульсары, черные дыры, т.д.).
Наука, изучающая мегамир, называется астрономией. Астрономия - составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук. Нейтринное излучение Солнца находится в ведении "чистых" физиков. В контактных исследованиях космических тел участвуют физики, химики, инженеры, космонавты. В будущем науки, изучающие мегамир, будут более обширными, глубокими, чем их земные аналоги.
2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идеи гелиоцентризма и становление классической научной космологии.
Современная космология – это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивисткой термодинамике и ряде других новейших физических теорий.
Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюция Вселенной как целого. Космологию можно называть наукой о космосе. В наше время космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так как было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу – «беспорядку». Таким образом, масс и их движения. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считается действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (так называемый антропный принцип). К настоящему времени сложились определенные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя привести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.
К Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.
В свое время революционный переход от геоцентризма к гелиоцентризму имел драматический характер.
Коперник, будучи каноником и посвятив папе Павлу III труд всей своей жизни "О вращениях небесных сфер" или, как написано в посвящении этого сочинения и решился опубликовать его лишь накануне своей кончины (1543).
Хотя еще Николай Кузанский (1401-1464), философ, ученый, теолог, религиозный проповедник, ревностный католический деятель, ближайший советник папы Пия II, кардинал и епископ, за сотню лет до того утверждал, что Земля, как и любое другое тело, не может быть центром Вселенной:
Итальянский монах, теолог, философ и поэт Джордано Бруно (1548-1600), ставший последователем Николая Кузанского и Николая Коперника и страстным проповедником идеи множественности обитаемых миров, был обвинен инквизицией в ереси и сожжен на костре в Риме.
Однако в 1616 г. комиссия из 11 ученых экспертов представила инквизиции мнение об отстаиваемой Галилеем гелиоцентрической концепции, которое оценивало ее как философски абсурдную и не согласующуюся с доктриной Священного Писания. И мнение этой комиссии довел до сведения Галилея тот же кардинал Беллармин, обязав его отказаться от пропаганды гелиоцентрической системы. Все коперниканские сочинения были включены инквизицией в индекс запрещенных книг.
Тем не менее, Галилео Галилей, правоверный христианин и выдающийся ученый физик, механик и астроном, опубликовал в 1632 г. свой "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой" (получивший вначале апробацию церковных властей и разрешение на выпуск в свет), но сразу же в 1633 г. был сурово осужден инквизицией за отстаивание учения Коперника.
Английский астроном Джеймс Брадлей (1693-1762), пытаясь измерить параллактическое смещение звезд вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца, обнаружил значительное смещение их в сторону, противоположную параллактическому (1727), и вскоре нашел правильное объяснение такого смещения: оно связано с годичным орбитальным движением Земли вокруг Солнца и является следствием конечной скорости света (1729). Это открытие аберрации света было первым прямым наблюдательным подтверждением гипотезы Коперника об орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Позднее российский астроном и геодезист Василий Яковлевич Струве (1793-1864) в Дерптской обсерватории, немецкий астроном и геодезист Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) в Кенигсбергской обсерватории, а также Т. Хендерсон в обсерватории на мысе Доброй Надежды независимо друг от друга и почти одновременно впервые успешно измерили годичные звездные параллаксы, связанные с орбитальным движением Земли вокруг Солнца (1837-1840).
Французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868) экспериментально доказал суточное собственное вращение Земли вокруг ее полярной оси, проведя специальные опыты со свободно качающимся маятником ("маятник Фуко") и наблюдая соответствующее систематическое отклонение плоскости качания от начального положения в данном месте на поверхности вращающейся Земли (1851).
Переход от геоцентризма к гелиоцентризму, казалось бы, окончательно обоснованный, вовсе не означает, что геоцентрическая система отсчета утратила всякий смысл: люди по-прежнему живут на Земле и все непосредственные наблюдения, даже астрономические, относят к ней, отвлекаясь от ее движения.
Попытки обнаружить абсолютное движение Земли относительно мирового эфира или установить его увлечение Землей при ее движении, неоднократно предпринимавшиеся американским физиком Альбертом Абрахамом Майкельсоном (1852-1931) и другими, неизменно приводили к отрицательному результату.
Это объяснила лишь созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955) специальная теория относительности (1905). А созданная тем же Эйнштейном, исходя из характерного для классической механики Ньютона тождества гравитационных и инертных масс (или, иначе, исходя из локального принципа эквивалентности гравитационных и инерциальных сил), так называемая общая теория относительности, то есть релятивистская теория пространства, времени и гравитации (1915-1916), в свою очередь, не только предопределенная ньютоновскими динамическими законами, но и сама определяющая эти исходные классические законы со всеми их теоретически ожидаемыми уточнениями, привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще: Метагалактика, или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое, стала описываться однородной и изотропной безграничной (сферически замкнутой) релятивистской космологической моделью.
Следует упомянуть еще одного видного французского ученого Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912), который независимо от Эйнштейна развил математические следствия "постулата относительности".
Первой релятивистской космологической моделью была предложенная самим Эйнштейном стационарная конечная сферически замкнутая модель с положительной средней плотностью массы или эквивалентной ей энергии, сохраняющая свою стабильность за счет уравновешивания общей гравитации (или, по существу, ньютоновского всемирного тяготения в виде квазиупругой силы Гука).
Затем российский физик, геофизик и космолог Александр Александрович Фридман (1888-1925) получил целую серию нестационарных однородных и изотропных релятивистских космологических моделей, систематически равномерно расширяющихся или сжимающихся, а также циклически пульсирующих, причем не только с первоначально дополнительно постулированной Эйнштейном особой космологической постоянной, но и без нее (1922).
Эйнштейн сначала высказал сомнение относительно теоретической обоснованности космологических моделей Фридмана, но вскоре признал необоснованность своего сомнения.
С другой стороны, американский астроном Эдвин Поуэлл Хаббл (1889-1953), сопоставляя наблюдаемое систематическое копплеровское "покраснение" далеких галактик с их расстояниями от нас, установил, что эти галактики систематически равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, то есть вся наша Метагалактика систематически равномерно расширяется (1929).
Выяснилось, что нашу в среднем достаточно однородную и изотропную Метагалактику, которая систематически равномерно расширяется, действительно, можно адекватно описывать соответствующей релятивистской космологической моделью Фридмана. В итоге Эйнштейн отказался от первоначально дополнительно постулированной им особой космологической постоянной.
Эта третья глобальная (общая) естественнонаучная революция, радикально преобразовавшая прежде всего астрономию, космологию и физику, означала принципиальный отказ вообще от всякого центризма.
Если каждую из этих трех закономерных последовательных глобальных естественнонаучных революций, которые начинались с решения фундаментальных астрономических проблем, сопровождались радикальным пересмотром прежних космологических представлений о наблюдаемом мире или о всей Вселенной в целом (как правило, в направлении, по возможности, все более и более полного преодоления исходного антропоцентризма или эгоцентризма) и завершались подведением или возведением необходимого нового физического фундамента под надлежащие радикально пересмотренные космологические представления обо всем мироздании, персонифицировать по имени ученых, физически завершавших эти революции, то рассматриваемые революции условно можно назвать аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.
Человек, действительно, не является центром Вселенной, но вся непосредственно наблюдаемая нами огромная по своим пространственно-временным масштабам и систематически расширяющаяся Метагалактика, со всеми ее галактиками типа нашей Галактики, содержащими звезды типа нашего Солнца, с околозвездными планетными системами типа нашей околосолнечной планетной системы, с планетами типа нашей Земли, оказывается типичной обитаемой космической системой, именно с такими основными характеристиками, которые необходимы и достаточны для появления в ней живых организмов типа известных нам и для их развития вплоть до возникновения разумных существ типа нас самих.
В структурно неисчерпаемой Вселенной непосредственно наблюдаемая нами Метагалактика представляет собой, однако, лишь один из бесконечного множества всевозможных квазизамкнутых нестационарных макромиров, которые описываются соответствующими релятивистскими моделями Фридмана. С учетом квантовых представлений о дискретном строении материи каждый из этих, по крайней мере потенциально соприкасающихся друг с другом, квазизамкнутых макромиров, с заведомо доминирующим, во всяком случае в макромасштабах, универсальным фундаментальным физическим взаимодействием -гравитационным (т.е. всемирным тяготением), не только имеет внутреннюю микроструктуру (от которой можно отвлечься именно лишь в макромасштабах), но и снаружи, как бы отпочковываясь от соседних макромиров, при предельном сокращении его внешних размеров и эффективной массы, очевидно, должен представлять собой надлежащий микрообъект тина соответствующих элементарных или даже субэлементарных частиц (античастиц), каждая из которых, с характерными для них и принципиально существенными в микромасштабах специфическими фундаментальными физическими взаимодействиями электромагнитным. слабым или сильным, в свою очередь, потенциально содержит в себе или скрывает за собой целый макромир, то есть Вселенная в целом должна иметь так называемую макромикросимметрию.
Это четвертая глобальная естественнонаучная революция, предопределяемая явно необходимым и безусловно возможным, но окончательно еще никем не осуществленным синтезом доминирующей в макромасштабах континуальной (непрерывной) общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах и столь же обоснованными тем же Эйнштейном квантовыми (дискретными) представлениями о строении материи в искомую многими единую физическую теорию типа уже создаваемой в настоящее время принципиально единой теории всех фундаментальных физических взаимодействий гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного.
Каждый из трех великих преобразователей всего естествознания, какими были настоящие корифеи астрономии, космологии и физики Аристотель, Ньютон и Эйнштейн, не только физически завершил свою космологическую или глобальную естественнонаучную революцию, но и создал необходимые физические и космологические предпосылки для осуществления надлежащей последующей глобальной естественнонаучной революции, что позволяет еще именовать ньютоновскую революцию постаристотелевской, эйнштейновскую постньютоновской, а современную (текущую) - постэйнштейновской.
ВСЕЛЕННАЯ (от греч. «ойкумена» – населенная, обитаемая земля) – «все существующее», «всеобъемлющее мировое целое», «тотальность всех вещей»; смысл этих терминов многозначен и определяется концептуальным контекстом. Можно выделить по крайней мере три уровня понятия «Вселенная».
1. Вселенная как философская идея имеет смысл, близкий понятию «универсум», или «мир»: «материальный мир», «сотворенное бытие» и др. Она играет важную роль в европейской философии. Образы Вселенной в философских онтологиях включались в философские основания научных исследований Вселенной.
2. Вселенная в физической космологии, или Вселенная как целое, – объект космологических экстраполяций. В традиционном смысле – всеобъемлющая, неограниченная и принципиально единственная физическая система («Вселенная издана в одном экземпляре» – А.Пуанкаре); материальный мир, рассматриваемый с физико-астрономической точки зрения (А.Л.Зельманов). Разные теории и модели Вселенной рассматриваются с этой точки зрения как неэквивалентные друг другу одного и того же оригинала. Такое понимание Вселенной как целого обосновывалось по-разному: 1) ссылкой на «презумпцию экстраполи-руемости»: космология претендует именно на репрезентацию в системе знания своими концептуальными средствами всеобъемлющего мирового целого, и, пока не доказано обратное, эти претензии должны приниматься в полном объеме; 2) логически – Вселенная определяется как всеобъемлющее мировое целое, и других Вселенных не может существовать по определению и т.д. Классическая, Ньютонова космология создала образ Вселенной, бесконечной в пространстве и времени, причем бесконечность считалась атрибутивным свойством Вселенной. Общепринято, что бесконечная гомогенная Вселенная Ньютона «разрушила» античный космос. Однако научные и философские образы Вселенной продолжают сосуществовать в культуре, взаимообогащая друг друга. Ньютоновская Вселенная разрушила образ античного космоса лишь в том смысле, что отделяла человека от Вселенной и даже противопоставляла их.
В неклассической, релятивистской космологии была впервые построена теория Вселенной. Ее свойства оказались совершенно отличными от ньютоновских. Согласно теории расширяющейся Вселенной, развитой Фридманом, Вселенная как целое может быть и конечной, и бесконечной в пространстве, а во времени она во всяком случае конечна, т.е. имела начало. А.А.Фридман считал, что мир, или Вселенная как объект космологии, «бесконечно уже и меньше мира-вселенной философа». Напротив, подавляющее большинство космологов на основе принципа единообразия отождествляло модели расширяющейся Вселенной с нашей Метагалактикой. Начальный момент расширения Метагалактики рассматривался как абсолютное «начало всего», с креационистской точки зрения – как «сотворение мира». Некоторые космологи-релятивисты, считая принцип единообразия недостаточно обоснованным упрощением, рассматривали Вселенную как всеобъемлющую физическую систему большего масштаба, чем Метагалактика, а Метагалактику – лишь как ограниченную часть Вселенной.
Релятивистская космология коренным образом изменила образ Вселенной в научной картине мира. В мировоззренческом плане она вернулась к образу античного космоса в том смысле, что снова связала человека и (эволюционирующую) Вселенную. Дальнейшим шагом в этом направлении явился антропный принцип в космологии.
Современный подход к интерпретации Вселенной как целого основывается, во-первых, на разграничении философской идеи мира и Вселенной как объекта космологии; во-вторых, это понятие релятивизируется, т.е. его объем соотносится с определенной ступенью познания, космологической теорией или моделью – в чисто лингвистическом (безотносительно к их объектному статусу) или же в объектном смысле. Вселенная интерпретировалась, напр., как «наибольшее множество событий, к которому могут быть применены наши физические законы, экстраполированные тем или иным образом» или «могли бы считаться физически связанными с нами» (Г.Бонди).
Развитием этого подхода явилась концепция, согласно которой Вселенная в космологии – это «все существующее» не в каком-то абсолютном смысле, а лишь с точки зрения данной космологической теории, т.е. физическая система наибольшего масштаба и порядка, существование которой вытекает из определенной системы физического знания. Это относительная и преходящая граница познанного мегамира, определяемая возможностями экстраполяции системы физического знания. Под Вселенной как целым не во всех случаях подразумевается один и тот же «оригинал». Напротив, разные теории могут иметь в качестве своего объекта неодинаковые оригиналы, т.е. физические системы разного порядка и масштаба структурной иерархии. Но все претензии на репрезентацию всеобъемлющего мирового целого в абсолютном смысле остаются бездоказательными. При интерпретации Вселенной в космологии следует проводить различие между потенциально и актуально существующим. То, что сегодня считается несуществующим, завтра может вступить в сферу научного исследования, окажется существующим (с точки зрения физики) и будет включено в наше понимание Вселенной. Так, если теория расширяющейся Вселенной описывала по сути нашу Метагалактику, то наиболее популярная в современной космологии теория инфляционной («раздувающейся») Вселенной вводит понятие о множестве «других вселенных» (или, в терминах эмпирического языка, внеметагалак-тических объектов) с качественно различными свойствами. Инфляционная теория признает, т.о., мегаскопическое нарушение принципа единообразия Вселенной и вводит дополнительный ему по смыслу принцип бесконечного многообразия Вселенной. Тотальность этих вселенных И.С.Шкловский предложил назвать «Метавселенной». Инфляционная космология в специфической форме возрождает, т.о., идею бесконечности Вселенной (Метавселенной) как ее бесконечного многообразия. Объекты, подобные Метагалактике, в инфляционной космологии часто называют «минивселенными». Минивселенные возникают путем спонтанных флуктуаций физического вакуума. Из этой точки зрения вытекает, что начальный момент расширения нашей Вселенной, Метагалактики не обязательно должен считаться абсолютным началом всего. Это лишь начальный момент эволюции и самоорганизации одной из космических систем. В некоторых вариантах квантовой космологии понятие Вселенной тесно увязывается с существованием наблюдателя («принцип соучастия»). «Порождая на некотором ограниченном этапе своего существования наблюдателей-участников, не приобретает ли, в свою очередь, Вселенная посредством их наблюдений ту осязаемость, которую мы называем реальностью? Не есть ли это механизм существования?» (А.Дж.Уилер). Смысл понятия Вселенной и в этом случае определяется теорией, основанной на различении потенциального и актуального существования Вселенной как целого в свете квантового принципа.
3. Вселенная в астрономии (наблюдаемая, или астрономическая Вселенная) – область мира, охваченная наблюдениями, а сейчас отчасти и космическими экспериментами, т.е. «все существующее» с точки зрения имеющихся в астрономии наблюдательных средств и методов исследования. Астрономическая Вселенная представляет собой иерархию космических систем возрастающего масштаба и порядка сложности, которые последовательно открывались и исследовались наукой. Это – Солнечная система, наша звездная система, Галактика (существование которой было доказано В.Гершелем в 18 в.), Метагалактика, открытая Э.Хабблом в 1920-х гг. В настоящее время наблюдению доступны объекты Вселенной, удаленные от нас на расстоянии ок. 9–12 млрд световых лет.
На протяжении всей истории астрономии вплоть до 2-й пол. 20 в. в астрономической Вселенной были известны одни и те же типы небесных тел: планеты, звезды, газопылевое вещество. Современная астрономия открыла принципиально новые, ранее не известные типы небесных тел, в т.ч. сверхплотные объекты в ядрах галактик (возможно, представляющие собой черные дыры). Многие состояния небесных тел в астрономической Вселенной оказались резко нестационарными, неустойчивыми, т.е. находящимися в точках бифуркации. Предполагается, что подавляющая часть (до 90–95%) вещества астрономической Вселенной сосредоточена в невидимых, пока ненаблюдаемых формах («скрытая масса»).
Литература:
1. Фридман А.А. Избр. труды. М., 1965;
2. Бесконечность и Вселенная. М., 1970;
3. Вселенная, астрономия, философия. М, 1988;
4. Астрономия и современная картина мира. М., 1996;
5. Bondy H. Cosmology. Cambr., 1952;
6. Munitz M. Space, Time and Creation. N.Y., 1965.
В.В.Казютинский
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 - 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.
На вопрос Не буду задавать вопрос, что есть вселенная, а... заданный автором электросварщик
лучший ответ это Говорят Вселенная безгранична. Мне более логичным представляется другой вариант - с момента Большого Взрыва Вселенная расширяется из одной точки во все стороны, а границами можно считать самые отдаленные ее стороны. Как они выглядят? Все измерения размыты, разрежены и т. д. Там ни пространства ни времени - ничего.
Меня вот другое с некоторого времени беспокоит - по словам ученых, через какой-то (громадный) промежуток времени вся эта "расширяющаяся Вселенная" начнет обратно сжиматься...
Ответ от располосовать
[гуру]
Возьмите энциклопедию. по астрономии..
Ответ от Ольга Шеффер
[гуру]
ага. А ещё когда всё началось и когда закончится. И что за границами вселенной. А самое главное откуда-то ведь всё это взялось. Спасибо. Сутки мозги кипеть будут. Тьфу
Ответ от Ино Планетянин
[гуру]
в принципе никто и не даст вразумительного ответа, это выше человеческого разума, но у буддистов есть понятие "нечто больше чем бесконечность"
Ответ от Европейский
[гуру]
Этот вопрос скорее всего можно отнести к философии, нежели к науке.
Вселенная... скопление миллиардов галактик, возникшая в результате Большого взрыва - скажет ученый - материалист. Филосов пойдёт дальше. Он спросит: а что было первопричиной возникновения Большого взрыва? Существует эзотерическое толкование, что первопричиной всего материального, от минерала до вселенной, есть Эфир. Это нечто нематериальное, неподвластное никаким физическим характеристикам. Это высшая степень НЕматерии. В древнейшей на Земле религии Бонпо (древнеиндусская религия, предшественница Буддизма) Эфир описывается, как спиральный вихрь, заставляющий всё материальное двигаться, вращаться, эволюционировать.
Это не подвластно разуму нашей цивилизации, так как у нас в мозгу есть "стабилизатор мышления", который не даёт мысли ни одного учёного, или философа хотя бы близко подойти к решению этого вопроса. Не пришло ещё время открыть нам эту тайну... А жаль!! !
Религиозная точка зрения:
...И разделил Бог свет и тьму... подразумевается создание Богом Вселенной;
Может я и не ответил на вопрос, но старался!
Ответ от Longines
[гуру]
Размер, возраст, содержание, структура и законы
Расстояния, доступные совреенным телескопам, составляют миллиарды световых лет. Вселенную на таких масштабах изучает астрономия и космология. Теоретической базой для космологии является общая теория относительности.
В самом крупном масштабе Вселенная представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры представляют собой скопления миллиардов галактик. Расстояния между ближайшими друг к другу галактиками составляют около миллиона световых лет.
Каждая галактика составлена из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик составляют до сотен тысяч световых лет.
Считается, что большинство звёзд являются кратными и представляют собой центры планетарных систем из нескольких планет. Расстояния между компаньонами кратных систем или планетами и их звёздами составляют десятки и сотни астрономических единиц (миллиарды и десятки миллиардов километров) .
Наиболее важный результат космологии - открытие расширения Вселенной - был получен путём наблюдений красного смещения и количественно оценен законом Хаббла. Экстраполяция этого расширения назад во времени приводит к гравитационной сингулярности, абстрактному математическому понятию, которое может соответствовать или не соответствовать реальности. Это даёт основание теории Большого взрыва, доминирующей на сегодня модели в космологии. Согласно данным НАСА, полученным с помощью WMAP, возраст Вселенной от момента Большого взрыва был оценен в 13,7 миллиарда лет с погрешностью в один процент. Данная оценка основывается на предположении, что лежащая в основе модель для анализа данных корректна. Другие методы оценки возраста Вселенной дают другие результаты.
Фундаментальным доводом в пользу Большого взрыва является тот факт, что чем дальше галактика находится от нас, тем быстрее она удаляется от нас. Подтверждением также служит космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) , которое возникло вскоре после Большого взрыва. Это реликтовое излучение однородно во всех направлениях. Этот факт космологи пытались объяснить ранним периодом инфляционного расширения, последовавшего за Большим взрывом.
Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная, включающая все местоположения, которые могут воздействовать на нас с момента Большого взрыва, конечна, поскольку конечна скорость света. Границей космического светового горизонта является расстояние 24 Гигапарсека. Действительное расстояние до границы наблюдаемой Вселенной больше благодаря всё увеличивающейся скорости расширения Вселенной и оценивается в 93 миллиардов световых лет.
Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска такой трёхмерной фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской, с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.
