Концепции современного естествознания


ЛЕКЦИЯ 7. Современные представления о Вселенной



страница8/64
Дата30.07.2018
Размер2.74 Mb.
ТипУчебное пособие
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   64
ЛЕКЦИЯ 7. Современные представления о Вселенной.
Принципиально новые, революционные космологические следствия общей теории относительности раскрыл русский математик и физик-теоретик А. А.Фридман (1888-1925). Решение уравнений Эйнштейна позволило ему построить новые математические модели Вселенной.

Первую модель Вселенной на основе ОТО предложил сам Эйнштейн, который пришел к выводу, что Вселенная должна быть стационарной и иметь форму четырехмерного «цилиндра». Фридман же доказал, что искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.

В 1922-1924 годах Фридман выступил с критикой модели Эйнштейна и показал необоснованность исходного постулата о неизменности Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман построил три математических модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства растет, и Вселенная расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Фридман сообщил о своих результатах Эйнштейну, который сначала не обратил на них серьезного внимания, однако затем проверил его результаты и признал их правильными.

Две первые модели Фридмана вскоре нашли подтверждение в наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте «красного смещения» в спектрах галактик. Красное смещение свидетельствовало о «разбегании» друг от друга всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном случае - водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной). Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и меньшую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы наблюдаем смещение спектра в его «красную» часть. Таким образом подтверждается факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной. Большинство космологов понимает расширение как расширение всей Вселенной.

Открытие расширения Вселенной связано и с именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953). Он дал свой ответ на главный вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы и нашел общую закономерность движения галактик: “красные смещения” в спектрах галактик росли пропорционально расстояниям от наблюдателя (или от центра нашей галактики) (закон Хаббла). Чем дальше галактики друг от друга, тем больше скорость их «разбегания»: (v = H x R), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, R – расстояние до наблюдаемой галактики. С увеличением расстояния между галактиками на миллион парсеков (около трех миллионов световых лет) скорость их «разбегания» увеличивается примерно на 70 километров в секунду.



Величина, обратная постоянной Хаббла , означавшая время, в течение которого разбегались галактики, прямо указывала на то, что должно было существовать начало такого разбегания, а может быть и начало существования самой Вселенной.

t = =  =  при подстановки V = H x R

Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В астрономической картине мира утвердился образ нестационарной, развивающейся Вселенной.

Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической плотности (5 х 10-30 г/см3), то Вселенная будет «открытой», бесконечно расширяющейся. Если же средняя плотность вещества во Вселенной больше или равна критической плотности, то она – «закрытая», и со временем начнет сжиматься, коллапсировать. Критическая плотность – примерно 9 граммов в кубическом сантиментре, поделенные на единицу с тридцатью нулями.

Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это проблема скрытой массы, от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются «черные дыры». Черная дыра – это потухшая звезда, с массой более 3-х масс Солнца, которая, исчерпав свое ядерное топливо, потухает и испытывает гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие). Вокруг «черной дыры» образуется своеобразная гравитационная «воронка», то есть такое искривление пространства-времени, вследствие которого «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, следовательно, ее невозможно обнаружить. Сила тяготения на поверхности «дыры» столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. На поверхности «черной дыры» имеют место экзотические релятивистские эффекты (сокращение длины тела в точку, увеличение массы тела до бесконечности, остановка времени). Ученые предполагают, что «черные дыры» образуют ядра галактик. В нашей галактике известно и описано 26 «черных дыр».

Современная астрономия не знает, что представляет собой Вселенная в целом. Мы можем говорить лишь о той части Вселенной, которая доступна нашему наблюдению – о нашей Метагалактике. Ее размеры составляют около 10 миллиардов световых лет.

В 30-е годы ΧΧ века рядом ученых (Ж.Леметр, Э.Милн, А.Фридман) была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи.

Научная космологическая теория - теория Большого Взрыва (Big Bang) была создана американским физиком русского происхождения – Г.А. Гамовым (1904-1968) совместно с физиками Р.Альфером и Г.Бете. Согласно этой теории вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собой результат катастрофического взрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии, состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение материи привело первоначально к неразделимой смесиизлучения и вещества.

Первоначально Вселенная состояла из водорода (70%) и гелия (30%); все остальные химические элементы возникли позже, когда образовались звезды. Первое поколение звезд состояло только из гелия и водорода.

Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной аннигиляции (взаимоуничтожения) частиц и античастиц остались частицы, так как их было чуть больше. Исходное соотношение между излучением (числом фотонов) и частицами (числом частиц) сохраняется и в современной Вселенной.

Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре примерно в три градуса по шкале Кельвина. Позднее оно было неоднократно обнаружено экспериментально и получило название реликтового излучения.

Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва и показало, что у нашей Вселенной имеется ранняя история, и что она, действительно, эволюционировала.

Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось 13,7 миллиардов. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать как последовательность эпох. Самая ранняя эпоха продолжалась 10-43 сек. К концу этой эпохи температура составляла 1032К, а плотность вещества достигала 1097кг/м3. В эту же эпоху существовали элементарные строительные блоки (кварки).

По мере падения температуры из кварков образовались адроны (тяжелые частицы).

Через 10-3 сек после начала расширения вещество Вселенной состояло из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1 сек в результате аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, гравитоны.

При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами, образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 30% атомарного гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия.

Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что потребовалось 1015 сек, чтобы температура достигла 104К. На этой стадии свободные протоны и электроны образовали атомарный водород. Вещество стало прозрачным для излучения и с этого времени вещество и излучение разъединились. С этого момента появилось реликтовое излучение, через 3.105 лет после Большого Взрыва.

В это же время стали образовываться электрически нейтральные атомы (гелия и водорода), то есть ядра стали соединяться с электронами, образуя «нормальный» атом – с ядром и электронной оболочкой.

Охлаждающийся газ образовал облака, из которых возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались, происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура центральных областей не поднялась до нескольких миллионов градусов, чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной энергии сжатие протозвезды прекращается, так как температура и давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации. Протозвезда обретает равновесие и становится звездой.

Все химические элементы, за исключением гелия и водорода, возникли на поверхности звезд (легче железа) и в недрах звезд (тяжелее железа).



Сейчас существует 2-е поколение звезд, к которому относится и наше Солнце.

По данным ряда астрофизиков, наблюдаемой Вселенной осталось существовать 22 миллиарда лет. После чего она будет «разорвана» набирающей уже сегодня силу «темной энергией», равносильной антигравитации. На сегодня установлено, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ранее. Это связано с нарастанием силы «темной энергии» или антигравитации, существование которой предположил еще Эйнштейн, обозначив ее в своем уравнении значком λ (лямбда). Силе «темной энергии» могла бы противостоять сила гравитации, но она зависит от массы вещества во Вселенной. Масса известного нам вещества (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т.д.) составляет всего 5% от критической массы, необходимой для остановки расширения космоса с помощью гравитации. Еще 30% необходимого вещества («темного вещества») составляют таинственные частицы, которые предсказаны лишь теоретически и экспериментально не наблюдались. «Темная энергия» составляет около 70%. Таким образом, наша Вселенная обречена на «великий разрыв», или – «Великий Хруст» - Big Crunch.



Физический вакуум – это разновидность реально существующей материи, по своим свойствам отличающийся как от вещества, так и от поля. В вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения частиц.

Понятие «физический вакуум» было введено в 1928 году П.Дираком. Согласно Дираку, это система частиц, в которой отсутствуют частицы с положительной энергией. «Море Дирака» - это электроны с отрицательной энергией. Дирак предсказал существование первой античастицы – позитрона – как «дырки» в физическом вакууме. Вакуум – это система, в которой отсутствуют реальные частицы данного вида (например, электроны).

Появление реальных частиц рассматривается как возбуждение вакуума, поэтому вакуум можно рассматривать как среду, порождающую вещество и поле.

Вакуум – это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. В вакууме происходят квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы. Энергия вакуума может переходить в поле, а поле – в частицы. Так, на короткое время (определяемое соотношением неопределенностей Гейзенберга) любая система может перейти в состояние, отличающееся от предыдущего состояния по энергии, с нарушением закона сохранения энергии. Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности Эйнштейна энергия может переходить в массу (Е = m.c2), то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время.

Физический вакуум существует повсюду. В нем происходит взаимодействие элементарных частиц. Вакуум воздействует на все тела своей антигравитацией, но обратному гравитационному воздействию от этих тел не поддается.

Согласно инфляционной модели Вселенной нидерландского астронома В. де Ситтера в ранние моменты эволюции Вселенной вся энергия мира была заключена в вакууме. Стадия инфляционного (сверхбыстрого) расширения Вселенной длилась 10-35 сек. За это время Вселенная быстро расширялась, а заполняющий ее вакуум растягивался. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, когда возникновения малейших неоднородностей было достаточно, чтобы вызвать переход системы в другое состояние. При переходе вакуума в другое состояние выделяется огромная энергия. За счет этой энергии происходит рождение из вакуума реальных частиц, которые начинают двигаться с огромными скоростями. Температура вселенной возрастает до 1027 0К. Вселенная становится горячей.

Физический вакуум является ненаблюдаемой физической реальностью. У нас нет фундаментальной физической теории, адекватно описывающей его состояния и динамику. Также имеет место недостаточность экспериментальных данных. Единственным доказательством существования вакуума являются точные предсказания взаимодействия с ним реальных частиц. Так, например, аномальный магнитный момент электрона появляется в результате его взаимодействия с вакуумом.
Антропный космологический принцип.
Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий Вселенную наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые физики предположили, что строение физического мира неотделимо от существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают, что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.

Антропный принцип был впервые выдвинут английским астрофизиком Брэндоном Картером в 1973 году в качестве противовеса неоправданно широкому использованию принципа Коперника, согласно которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной. Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки, так как само наше существование как сложных физико-химических существ требует определенных условий, которые встречаются только в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее истории. Само наше существование как разумных существ зависит от структуры физического мира. Так, если бы любое из точно отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна (по крайней мере, известная нам ее форма).



Многие из основных свойств Вселенной определяются, в сущности, значениями фундаментальных физических констант, таких, как гравитационная постоянная, заряд электрона, масса протона, постоянная Планка, скорость света в вакууме и др. Свойства Вселенной были бы совершенно иными, если бы перечисленные константы имели значения, хотя бы слегка отличающиеся от наблюдаемых. Все это побуждает задать вопрос: почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных констант, из бесконечного разнообразия первоначальных условий, которые могли бы существовать в ранней Вселенной, реализуется вполне конкретный набор и конкретные величины констант? Ответы на этот и подобные вопросы пытается дать Антропный принцип, который подразделяется на 4 вида (модификации).

Слабый Антропный принцип: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей» (Б.Картер). Любые космологические наблюдения, сделанные астрономами, основаны на всеобъемлющем селекционном эффекте: нашем собственном существовании. Мы не можем наблюдать явления, существование которых несовместимо с нашим существованием.

Сильный Антропный принцип: «Вселенная должна иметь такие свойства, которые позволяют жизни развиться внутри нее на некоторой стадии ее истории. Или: Вселенная такова потому, что мы существуем» (Б.Картер). Этот принцип указывает на специфику самой Вселенной, которую мы населяем. Для устойчивого существования атомов, звезд, галактик необходима очень тонкая «подгонка» ряда численных величин фундаментальных физических констант. Небольшое отклонение от этих величин, хотя бы одной из них, приводит к потере устойчивости или к выпадению определенного звена эволюции. Получается, что наша Вселенная как бы «запрограммирована» кем-то определенным, наилучшим образом, например, Богом или некоей «высшей разумной силой». Здесь физика соприкасается с теологией. Поскольку в современной физике прибегать к теологическим аргументам не принято, некоторые ученые (Гут, Стейнхард, Линде и др.) предложили гипотезу множественности вселенных. Согласно ей, наша Вселенная - лишь одна из множества существующих Вселенных, и нам «повезло», что в результате игры случая в ней сложились оптимальные условия для нашего существования.

Антропный принцип участия: «Необходимы наблюдатели, чтобы существовала Вселенная» (Дж.Уиллер). Этот принцип имеет физическое содержание, когда рассматривается в свете копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Финальный Антропный принцип: «Разумный информационный процесс должен возникнуть во Вселенной и, однажды возникнув, он никогда не умрет» (Ф.Типлер). Если образование сознания с необходимостью подразумевается всеобщим порядком, то тогда будет трудно примириться с перспективой его будущего разрушения, которое кажется неизбежным в ряде космологий. Более разумно было бы предположить, что природа не безразлична к будущей судьбе сознания и обеспечит условия его вечного существования, совсем не обязательно в человеческих формах.

Каталог: doci -> kafedri -> phil
phil -> Примерная тематика докладов аспирантов по философии науки в 2015-2016 уч г. Общие проблемы философии науки «Венский кружок»
phil -> Примерная тематика рефератов аспирантов по истории науки в 2015-2016 уч г
phil -> Вопросы к экзамену по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Кандидатский экзамен по истории и философии науки
phil -> Чернов С. А. Начала философии. Ч. 2 – Учеб пособие – спбгут спб, 2005
phil -> Ш37 Рецензент
phil -> Вопросы к зачёту по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Русская философия о роли личности в истории государства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   64


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница