Атом во Вселенной, Вселенная в атоме

10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Тема: Атом во Вселенной, Вселенная в атоме

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава I. Концепция атомизма и элементарные частицы

1.1 Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома

1.2 Дальнейшее развитие концепции атомизма

1.3 Кварковая модель адронов

Глава II. Мегамир в его многообразии и единстве

2.1 Состав и строение мегамира

2.2 Время мегамира

2.3 Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд

Глава III. Современная картина происхождения Вселенной

3.1 Рождение Вселенной

3.2 Ранний этап эволюции Вселенной4

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Ничтожно малый атом и бесконечно большая вселенная - что общего между ними? Это миры, в познании которых нет конца и края. И хотя наш вооруженный глаз все глубже проникает и во вселенную и в недра вещества, мы сейчас так же далеки от конца этого путешествия, как и в начале его.

К чему же, однако, путешествовать, если известно наперед, что никогда не достигнешь цели? Да и познаем ли мы мир вообще? Не обман ли чувств все, что доносят нам приборы? Слабый луч света, пришедший откуда-то издалека, - вот единственный источник наших знаний о бесконечно далеких небесных светилах. Не обманывает ли он нас? Мы не видим глазом даже молекул, лишь приборы говорят о мельчайших частичках - атомах и электронах. Как знать, насколько правдив их рассказ?

Так или примерно так рассуждают некоторые зарубежные ученые-идеалисты, отрицающие возможность познания мира. Но жизнь блестяще опровергает тех, кто не верит в могущество разума. Истинность познания проверяется практикой. И часто то, что происходит невообразимо далеко от нас, вдруг оказывается частью нашей жизни. Атом и вселенная - превосходный пример. Наука, изучая атом, нашла пути для атаки атомного ядра. Открылась новая эпоха, открылась перспектива такого энергетического могущества человека, перед которой бледнеет самая смелая фантазия. В наших лабораториях взрыв атома «доставил» космос на Землю - температуры в миллионы градусов, господствующие на звездах, получены человеком. Мы говорим теперь об освобождении атомной энергии, об атомных двигателях, кораблях и электростанциях, которым не нужны бензин, уголь и нефть.

В данной работе я поставил следующие задачи:

- охарактеризовать концепцию атомизма в широкой исторической перспективе;

- рассмотреть мегамир в его многообразии и единстве;

- охарактеризовать современную картину происхождения Вселенной.

Глава I. Концепция атомизма и элементарные частицы

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей их истории. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа-- Демокрита, согласно которому в мире существуют только атомы, которые движутся в пустоте. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Конечно, эта гипотеза не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней и неделимой частицей материи и имеет сложное строение, все же тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Эта концепция, как уже отмечалось выше, несомненно обладает огромными возможностями для объяснения свойств сложных тел и систем с помощью свойств более простых элементов и частиц. Однако такое объяснение достигается, как легко заметить, посредством редукции, т. е сведения сложного к простому, и поэтому трудно согласиться с идеей, что все многообразие сложного и качественно разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц.

1.1 Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома

Гипотезу об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании и прежде всего в физике и химии для объяснения таких эмпирических законов, как законы Бойля -- Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и различных химических законов. В самом деле, закон Бойля -- Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не объясняет почему. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но эмпирический закон теплового расширения не объясняет причину такого расширения.

Очевидно, что для такого объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются; в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим гипотезам и законам. В отличие от эмпирических законов они содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие известные эмпирические законы. Действительно, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается на столько же, мы представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в разных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давление газа мы истолковываем как увеличение свободного пробега составляющих его атомов и молекул, вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют возрастанием средней скорости движущихся молекул.

Таким образом, свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения мы объясняем с помощью простых свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства, более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, а точнее, химических элементов. Поэтому атом в химии обычно определяют как наименьшую часть или единицу химического элемента.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых их элементов или составных частей, называют редукционистскими. Такой способ анализа способствовал большому прогрессу в развитии естествознания. С его помощью удалось объяснить не только свойства многочисленных тел и явлений, но и эмпирических законов, которые управляют ими.

Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей тел и явлений окружающего мира к более простым вряд ли могла считаться успешной, хотя бы потому, что на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые последние частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге -- в свинец. Именно так истолковали радиоактивные превращения английские физики Эрнест Резерфорд (1871--1937) и Фредерик Содци (1877--1956). Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными, неделимыми и последними кирпичиками мироздания. Вскоре после радиоактивности была открыта мельчайшая частица электричества -- электрон. В 1913 г. Э. Резерфорд, исследуя рассеяние ос-частиц атомами тяжелых элементов, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части -- ядре, так как вдали от него б-частицы проходят беспрепятственно. Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны.

Впоследствии эта модель была значительно модифицирована известным датским физиком Нильсом Бором (1885--1962) и другими учеными. Оказалось, что электроны не могут вращаться по любым орбитам, а только по стационарным, ибо в противном случае они бы непрерывно излучали энергию и упали бы на ядро, и атом самопроизвольно разрушился. Ничего подобного, однако, не наблюдается, так как атомы являются весьма устойчивыми образованиями. Все эти и связанные с ними революционные открытия невозможно было понять и объяснить с точки зрения старой, классической физики, и поэтому в первое время немало ученых считали, что они не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки. Если прежние понятия и принципы этой науки меняются, то, следовательно, в них не содержится никакой истины. Так восприняли новые открытия в физике некоторые ученые. Соответственно одна часть ученых стаяла рассматривать научные истины просто как условные соглашения, принимаемые в целях обобщения эмпирического материала, другая -- как полезные инструменты для предсказаний, третья -- как средства для "экономии мышления".

Таким образом, из относительности научных истин, из того что они неполно, не целиком верно, а лишь приблизительно отражают свойства и закономерности природы, был сделан совершенно ошибочный вывод, что они вообще не являются объективными истинами, т. е. знание, содержащееся в них, не зависит от человека. Все это породило кризис в физике в конце XIX-- начале XX вв., выход из которого следовало искать в переходе от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойств материи на атомном уровне, к новым понятиям и теориям, которые бы верно отражали эти свойства и закономерности.

Такой новой фундаментальной теорией, как мы видели, стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.

1.2 Дальнейшее развитие концепции атомизма

После того, когда физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе какие-либо другие элементы. Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым "очарованием", "очарованные" частицы, ипсилион -частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд - ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы. По-видимому, все частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, являются специфическими формами существования материи, которые не объединены в ядра и атомы, вследствие чего их часто называют субъядерными частицами.

Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века известным, английским физиком Дж. Дж. Томсоном. В 1919 г. Э. Резерфорд, бомбардируя атомы б-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фофон, в 1932 г. такая необычная частица, как лишенный заряда нейтрон, спустя четыре года -- первая античастица -- позитрон, которая по массе равна электрону, но обладает положительным зарядом. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены и другие частицы, в частности мюоны и разные типы мезонов.

С начала 50-х годов основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. С того времени физики стали выдвигать гипотезы о существовании антивещественного и даже антиматериального мира. В 1970 и 1980-е годы поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили даже о семействах элементарных частиц, которые назвали "странными", “очарованными” и "красивыми".

Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них -- порядка массы протона, т. е. 1,6 х 10-24 г, а размеры порядка 10-16 см. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т. е. испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Мы уже приводили пример превращения пары электрон и позитрон в два фотона:

е--- + е+ > 2 Y

Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин "аннигиляция", означающий буквально исчезновение или превращение в ничто, не совсем подходит для характеристики взаимопревращения элементарных частиц.

кварк атом вселенная галактика

По интенсивности, с которой происходят взаимодействия между элементарными частицами, их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

· Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

· Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле.

· Слабое взаимодействие -- наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающее процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц.

· Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс.

Приведенная классификация взаимодействий имеет относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае она относится лишь к взаимодействию частиц, обладающих не слишком большой энергией.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.

· К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

· Ко второй группе принадлежат лептаны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Помимо общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной» Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону.

1.3 Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц и в особенности адронов уже в начале 1950-х годов побудило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели американского физика М. Гелл-Мана (р. 1929) к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки -- гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, т. е частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все мезоны и барионы, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) -- из трех кварков. Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. Но хотя она теоретически необходима, никакого экспериментального подтверждения, несмотря на: многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, их не было найдено. Это заставило физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально, новым явлением приводы, которое называют удержание кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает немало трудностей, связанных, например, с получением бесконечно большого значения для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы "истинных" элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа, от представления об элементарных частицах как о точечных образованиях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также включением гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода -- с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.

Глава II. Мегамир в его многообразии и единстве

2.1 Состав и строение мегамира

Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но и качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд км. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы -- Меркурий, Венера, Земля, Марс -- сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид -- планета Церера -- имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно -- самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км -- на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 1013 км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно -- от 10--20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см3 до 1014 г/см3 (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т.е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98% состоит из водорода и гелия.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояко выпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр -- 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд. солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, -- Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, -- это Метагалактика. Размеры ее 15-20 млрд световых лет, а возраст 15--20 млрд лет. Таков состав мегамира, а что известно о его истории, эволюции?

2.2 Время мегамира

Да, по сегодняшним представлениям у времени есть начало. Это начало -- Биг Бэнг, то гигантское событие, с которого началась история нашей Вселенной, тот момент, когда она «родилась». Оно возникло вместе с миром. Время, как и пространство, как бы дается нам «в придачу» к миру. С момента рождения мира его время начинает «течь», его пространство -- расширяться.

Скорость такого расширения пространства не ограничена ничем, даже скоростью света. Ибо скорость света ограничивает движение только материальных тел, а пространство -- не тело. А раз так, то в начальные миги существования Вселенной оно претерпело, как утверждает теория, такое стремительное расширение, которое сделало Вселенную много-много больше тех нынешних 10 миллиардов световых лет, куда достигают наши телескопы. Ученые полагают, что это -- только ничтожная часть нашей Вселенной, а она -- лишь ничтожная часть огромной грозди вселенных, каковая образовалась из этого самого «праатома» или «сингулярности» за те 13-14 миллиардов лет, которые прошли с «рождения» Вселенной.

Подавляющая часть звезд и галактик находится на таком расстоянии от нас, с которого свет придет только через миллиарды миллиардов лет. За прошедшие 13-14 миллиардов лет их свет еще не успел прийти к нам. Ему не хватило времени. Эти звезды и галактики, от которых свет еще не пришел к нам, находятся как бы за «краем времени», если определить этот «край», как те 13-14 миллиардов лет, которые существует Вселенная.

Те звезды и галактики, от которых свет уже успел за это время к нам прийти (то есть те, которые не ушли за «край времени»), составляют ничтожную часть всего бесконечно большого числа звезд и галактик во Вселенной. Поэтому и яркость их света вполне конечна. Более того, она ничтожно мала. Поэтому ночью темно. Вот если бы свет распространялся мгновенно, как думал Ньютон и все прочие до Эйнштейна, тогда да -- тогда мы должны были бы видеть сразу все звезды и галактики во всей Вселенной, и ночное небо было бы бесконечно ярким.

Как видите, темнота ночного неба, этот «парадокс Ольберса», по имени немецкого астронома XIX века, напрямую связан с фундаментальными представлениями современной теории «Мегамира», а проще говоря -- Вселенной. Этими представлениями мы опять-таки обязаны Эйнштейну. Воистину он -- великий нарушитель спокойствия.

Стоило нам, хотя бы мысленно, двинуться с места на околосветовых скоростях, и природа открылась во всей своей истинной и жутковатой сложности. Длительность одного и того же промежутка времени в разных инерциальных системах оказалась различной, одновременность -- своей для каждой из них, само время -- неразрывно связанным с пространством, чем-то вроде еще одного, четвертого измерения.

Так родились и наши представления о «мегавремени», то бишь о свойствах времени в мегамасштабе. Оказалось, что они весьма не похожи на свойства того времени, которое показывают наши наручные часы. Главное среди этих отличий состоит в фундаментальном факте зависимости течения («хода») времени не только от движения системы отсчета, с которой связан наблюдатель, но также от гравитационного поля в той точке пространства, где он находится.

Почему же мы этой зависимости никогда не замечаем? Тут снова виной ограниченность нашего житейского опыта. Пока мы живем на поверхности крохотной планетки и имеем дело с предметами обычной массы, нам кажется, что поток вселенского времени не замечает гравитационных рытвин, рассеянных на своем пути. И действительно, не замечает -- уж очень они малы. Но стоит нам задуматься -- вместе с Эйнштейном -- над свойствами мегавремени, иначе говоря, стоит поднять взор свой от ничтожного к великому, от наших будней к торжественно-величавому космосу, как тотчас становится очевидно, что чем массивнее такое тело, тем медленней в его окрестностях течет время.

Сегодня все это уже не гипотеза, а теория. Точно так же, как предсказания специальной теории относительности касательно зависимости течения времени от скорости движения, так и новые предсказания общей теории относительности касательно зависимости хода времени от гравитационного поля тоже проверены на практике и тоже подтвердились.

Впрочем, гравитационное «замедление» времени можно и увидеть. Природа позаботилась о создании устройства, которое самым наглядным и убедительным образом демонстрирует любому желающему этот эффект -- и даром. Устройство это называется «черная дыра».

2.3 Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд

Теория расширяющейся Вселенной основана на истолковании экспериментально зафиксированного красного смещения спектральных линий галактик как следствия эффекта Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние десятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несомненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра может быть объяснено как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гравитационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.

Эволюцию претерпевают все космические объекты -- звезды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звезды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так называемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры».

Что такое «белый карлик»? Это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последней стадии своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Превращение происходит путем медленного сжатия звезды, которая продолжает светить уже не за счет ядерных реакций, а в результате освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. Диаметр «белого карлика» равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см3 - в сотни тысяч раз больше земной плотности. Такую плотность можно получить, утрамбовав грузовой автомобиль в объем наперстка. В течение 1 млрд лет «белый карлик» медленно остывает, превращаясь в «черный карлик» -- ничего не излучающий холодный «труп» звезды.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. В этом случае на предконечном этапе происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурный процесс ядерных реакций, в которые вступают остатки ядерного вещества звезды. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров в 20--30 км, а средняя ее плотность возрастает до 100 млн т/см3, что, используя прежнее сравнение, равнозначно утрамбовке в наперсток миллиона грузовых автомобилей. Образующийся объект и получил название «нейтронная звезда». Она состоит из протонов и нейтронов, силы гравитации разрушили в ней сложные ядра и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Открытые в 1967 г. пульсары (источники пульсирующего, периодически изменяющегося импульсного излучения) как раз и являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами.

В случае же, если масса постзвезды (звезды на заключительной стадии своего существования) превысит 2 солнечные массы, она должна превратиться в «черную дыру» с радиусом 5т 10 км. Черные дыры имеют и другие названия застывшая звезда», «гравитационная могила», «коллапсар», «флуктуар», «отон». Пространство черной дыры как бы «вырвано» из пространства Метагалактики. Если вырезать в листе бумаги дыру, то это даст наглядную двумерную аналогию черной дыры в трехмерном пространстве. Вещество и излучение проваливаются в нее и не могут выйти обратно.

Раньше «черные дыры» считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедительно свидетельствуют об их существовании. Они отождествляются с источниками сильного рентгеновского излучения. Высказаны предположения о существовании первичных, реликтовых «мини-черных дыр», образовавшихся на раннем этапе развития Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключительный интерес, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы. Теоретические расчеты показывают, что обладая гигантской массой 1015 г, они должны иметь микроскопический размер до 10-13 см.

Глава III. Современная картина происхождения Вселенной

Технический прогресс не стоит на месте. Научно-техническая революция XX века значительно расширила горизонты человеческих знаний. Человек создал ракету, побывал в космосе, созданы сверхмощные оптические и радиотелескопы, компьютеры, позволяющие рассчитывать и модулировать глобальные процессы, происходящие в масштабах Солнечной системы и Вселенной. На сегодняшний день современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва.

3.1 Рождение Вселенной

Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей теории относительности применимы лишь до определенных пределов - масштаба порядка 10-33 см. Дальше идет область, в которой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем около 10-33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Как уже отмечалось выше, еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит совершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей частицы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип неопределенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и корпускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энергиями невообразимо велико.

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом».

С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.

3.2 Ранний этап эволюции Вселенной

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке, не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.

При температуре 1027 К, если только справедлива гипотеза Большого объединения, лептоны и кварки в сгустке свободно превращались друг в друга, то есть были неразличимы. В среде существовал единый вид взаимодействия и роль его частицы-посредника выполнял скалярный бозон, названный X-бозоном. Это была необычайно массивная частица, порядка 10-9 г, что в 1014 раза больше массы протона. Эти частицы исчезли после снижения температуры в ранней Вселенной, остатков их пока не найдено, ожидать, что такие частицы могут быть обнаружены, не приходится, так как подобных температур нет нигде в современной Вселенной.

Через 10-33 секунды после «начала» кварки и лептоны разделились, а сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Единый Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков (вообще, современное существование Вселенной связано с нарушениями симметрии), а число электронов - число позитронов. В общем сгустке число частиц в каждом миллиарде оказывалось на единицу больше числа античастиц. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

Следующая критическая точка - 10-10 с, когда температура снизилась до 1015 К. После этого безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и три тяжелых векторных бозона. Электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия.

При снижении температуры до 1015 К прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Образуются барионы и антибарионы, которые аннигилируют, оставляя после себя фотоны и выделившуюся энергию. Но так как барионов немного больше, чем антибарионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фотонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после «начала».

В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд. градусов. Этого оказалось достаточно для отделения от газовой смеси нейтрино и антинейтрино. К 14 секунде температура упала до 3 млрд. градусов и при этом появились условия для соединения и аннигиляции электронов и позитронов. При этом электронов опять-таки было немного больше, чем позитронов. Их избыток и суммарный отрицательный заряд точно компенсировал суммарный положительный заряд протонов, которые появились раньше. Также в протоны превращались свободные нейтроны, пока в конце концов отношение числа протонов к числу нейтронов не стало равно 8:1, оно сохранилось в дальнейшем и определило соотношение водорода и гелия во Вселенной.

Спустя 3 минуты 2 секунды после «начала» температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра -нуклеосинтез. Плотность вещества в то время уже была в сто раз меньше плотности воды, размеры Вселенной возросли почти до 40 световых лет (для расширения пространства скорость света не является предельной). Через полчаса после «начала» барионное вещество Вселенной состояло из 28% гелия, остальное - ядра водорода (протоны). Но барионное вещество - это ничтожная часть Вселенной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино.

Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла примерно до 3 тысяч градусов, протоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного вещества в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего 3 К. И оно излучает радиоволны в сантиметровом диапазоне. Эти радиоволны были открыты в 1964 г. и стали серьезным подтверждением концепции «горячей» Вселенной. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.

В результате мы имеем однородную Вселенную, представляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, перспективой было бы дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием «лептонной пустыни» - чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

На объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода - с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи.

На протяжении ХХ столетия трудами А. Фридмана, А. Эйнштейна, Э. Хаббла, Ж. Леметра, Г.А. Гамова и других исследователей разработана концепция, согласно которой Метагалактика находится в процессе расширения, разбегания галактик от какого-то первичного центра, в котором и зародилась наша Вселенная. Современная Вселенная произошла из материи, находящейся в особом чрезвычайно раскаленном, сверхплотном состоянии. Примерно 15-20 млрд. лет назад этот сгусток материи, этот «первоатом» в силу еще неясных причин как бы взорвался и стал быстро расширяться с резким падением температуры. В ходе этого процесса расширения Метагалактики, продолжающегося до сих пор, и сложилась та ее структура, которая наблюдается в настоящее время.

Литература

1. Барашенков В.С. Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. - М., 2009

2. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М., 2007

3. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. - М., 1985.

4. Вайнберг С. Первые три минуты. - М., 2006

5. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. - М., Владос, 1998.

6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М., 2009

7. Марков М.А. О природе материи. - М., 1976.

8. Сойфер В.Н. Современное естествознание. - М., 2008.

Размещено на Allbest.ru