Структурные уровни организации материи. проблемы возникновения и эволюции вселенной

        Волновая теория устанавливала ана­логию между распространением света и движением волн на по­верхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предпола­галось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Исхо­дя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отраже­ние и преломление света. Другой областью физики, где механические модели оказа­лись неадекватными, была область электромагнитных явлений.  

        Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и по­ложили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспы­татель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное дей­ствие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное измене­ние в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его рабо­ты стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физиче­ский смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Исхо­дя из своих исследований, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущ­ность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г. После экспериментов Г. Герца в физике окончательно ут­вердилось понятие поля не в качестве вспомогательной матема­тической конструкции, а как объективно существующей физи­ческой реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи. Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказа­лись разрушенными представления классической физики о ве­ществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Мегамир. Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему га­лактик. Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеоб­разном стыке науки, религии и философии.

В основе космо­логических моделей Вселенной лежат определенные мировоз­зренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение. В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти та­кой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.   

        Современные космологические модели Вселенной основы­ваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, со­гласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свой­ства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселен­ной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изо­тропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсаль­ным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

         В 1922г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности  Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством. Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик:  все галактики движутся от нас, причем со скоростью,  которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам  Ж. Леметра, радиус Вселенной   в первоначальном состоянии  был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла  1096  г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная  представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет.  Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”.

       Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаи­модействия.

       Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнит­ное взаимодействие.

       Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная до­ля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны.

       Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики. В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной на­чиная с момента 10-45 с после начала расширения. Сторонники инфляционной модели видят соответствие ме­жду этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

        Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспо­ненциальному закону. В этот период создавалось само про­странство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34. Вселенная раздулась от невообра­зимо малых квантовых размеров 10-33 до невообразимо больших 101000000см, что на много порядков превосходит раз­мер наблюдаемой Вселенной — 1028 см. Весь этот первоначаль­ный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения. Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осве­тившего космос. Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после ан­нигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от веще­ства излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и эксперименталь­но обнаруженный в 1965 г. В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все бо­лее сложных структур — атомов (первоначально атомов водоро­да), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в не­драх звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения — человека. Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляци­онной модели и модели Большого взрыва касается только пер­воначального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделя­ми принципиальных расхождений в понимании этапов косми­ческой эволюции нет.   

       Пока же эти модели с помощью знаний и фантазии можно рассчитывать на компьютере, а вопрос остается открытым. Самая большая трудность для ученых возникает при объяс­нении причин космической эволюции. Если отбросить частно­сти, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма. Для концепции самоорганизации материальная Вселенная яв­ляется единственной реальностью, и никакой другой реально­сти помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описыва­ется в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упо­рядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир.  

      Сторонники креационизма обращают внимание на существова­ние во Вселенной направленного номогенца — развития от простых систем ко все более сложным и информационно ем­ким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. В качестве дополнительного аргумента при­влекается антропный принцип, сформулированный английскими астрофизиками Б. Карром и Риссом. Среди современных физиков – теоретиков имеются сторонники, как концепции самоорганизации, так и концепции  креационизма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики  делает насущной необходимостью разработку единой научно – технической картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры. Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

       Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным  межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Существуют огромные объемы  пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15  млрд. лет. Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве  достаточно сложную конфигурацию. По форме галактики условно распределяются на три типа:  эллиптические, спиральные, неправильные. Эллиптические галактики – обладают пространственной формой  эллипсоида, с разной степенью сжатия они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра. Спиральные галактики – представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – млечный путь. Неправильные галактики – не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро. Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики. В ядре галактики сосредоточенны самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики. Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом, вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной, кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси. Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной веще­ство в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселен­ной, до сотен тысяч — самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, бла­годаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды.

      Ос­новная эволюция вещества во Вселенной происходила и проис­ходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные сис­темы состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, об­ращающихся вокруг общего центра тяжести.

      Звезды объединены также в еще большие группы - звезд­ные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления насчи­тывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления - многие сотни тысяч. Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неиз­менными и вечно существующими. Через определенное коли­чество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеивают­ся силами галактического вращения. Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве слу­чаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, пла­неты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: ка­ждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения.  

        Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливав­шихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает ос­нование назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли. О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования.

       Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца об­разовалась в результате действия сил притяжения и отталкива­ния между частицами рассеянной материи (туманности), нахо­дящейся во вращательном движении вокруг Солнца. Началом следующего этапа в развитии взглядов на образо­вание Солнечной системы послужила гипотеза английского фи­зика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что ко­гда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразо­валась в планеты. Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнит­ные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофи­зиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. В соответствии с современными представлениями, первона­чальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались не­большие части этого облака. Гравитационная сила стала при­тягивать остатки газа к образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях — как раз там, где находятся планеты. Гравитаци­онная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгуще­ние падающего газа, и в результате образовались планеты. Ко­гда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повто­рился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невоз­можно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.