4
ЭВОЛЮЦИОННАЯ ПАРАДИГМА. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Никиташенко В.Н., Френкель Е.Н.
Военный институт материального обеспечения
Вольск, Россия
План
Введение
1.Историческое развитие представлений о Вселенной
2.Начало Вселенной
3.Строение Вселенной. Рождение сверхгалактик и скоплений галактик
4.Рождение галактик
5.Структура галактик и Вселенной
6.Солнечная система
5. Смерть Вселенной
Заключение
Литература
Введение
Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.
Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами звёзд, с незапамятных времён волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле и зачарованно любующегося торжественной и чудной картиной.
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на Земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведённые в 20-21 веках, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далёкое прошлое.
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскалённый и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскалён, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь, друг с другом.
До начала 20-го века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Учёные полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворён и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы учёных прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живём, и какие существуют гипотезы по поводу её будущего. Была создана теория Большого Взрыва, а также теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, её появление и структуризации. Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.
На протяжении десяти миллиардов лет после «Большого взрыва» простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звёзды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.
Что же такое Вселенная? Вселемнная - не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то, следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую - астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления). Вселенная является предметом исследования космологии.
галактика вселенная солнечная система
1. Историческое развитие представлений о Вселенной
Ещё на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили своё представление о Вселенной, как о чём-то бесконечном. Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввёл представление о некой единой беспредельности, не обладавшей никакими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего - апейроне.
Стихии мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворённые субстанции. Представление чисто материальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V-IV в. до н.э.) о Вселенной, состоящей из безкачественных атомов и пустот.
Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксимандр высказал идею изолированности Земли в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля как и Солнце обращались вокруг некоего «гигантского огня». Шаррообразность Земли утверждал другой пифагореец Парменид (VI-V в. до н.э.). Гераклит Понтийский (V-IV в. до н.э.) утверждал также её вращение вокруг своей оси и донёс до греков ещё более древнюю идею египтян о том, что само Солнце может служить центром вращения некоторых планет (Венера, Меркурий).
Французский философ и учёный, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию о эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентризма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы. находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.
Великий немецкий учёный, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину её ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительные вероятности возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех её масштабных уровнях - начиная с планетных систем и кончая миром туманности. Наблюдения астрономов 18-19 веков за движением планет подтвердили космологическую модель Вселенной Канта, и она из гипотезы превратилась в теорию, а к концу 19 века считалась непререкаемым авторитетом. Этот авторитет не мог поколебать даже так называемый «парадокс тёмного ночного неба». Почему парадокс? потому что в модели кантовской Вселенной сумма яркостей звёзд должна создавать бесконечную яркость.
Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Применив общую теорию относительности к Вселенной в целом, он обнаружил, что такое решение уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Он представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому ввёл в полученные уравнения дополнительное слагаемое, которое обладало антигравитацией и обеспечивало стационарность Вселенной. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла-Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.
Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Фридман (1888-1925). Он впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии. Выступив в 1922-24 г. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырёхмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата. Фридман привёл две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движении далёких галактик в эффекте «красного смещения», в их спектрах.
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл экспериментально подтвердил теоретический вывод А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон - закон Хаббла: скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до неё. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она движется. Скорость некоторых галактик приближается по своей величине к скорости света. Этот вывод был сделан на основе открытой замечательной закономерности, которая была названа «закон красного смещения»: линии галактик смещены к красному концу, причём смещение тем больше, чем дальше находится галактика.
2. Начало Вселенной
Вселенная эволюционирует. В настоящее время полагают, что 13,8 млрд лет назад всё вещество было сосредоточено в одной точке. Такая ситуация не позволяет говорить о существовании даже таких основополагающих понятий, как пространство и время. Не было тогда ни пространства, ни времени в обычном смысле. Тот момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать её началом. Первую эру в истории Вселенной называют «Большим Взрывом» или английским термином Big Bang. Затем произошёл Большой Взрыв, в результате которого образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определённом этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом мы можем догадаться по существованию так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной, которое сейчас наблюдается в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звёзды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжёлых элементов, и к настоящему времени мы имеем то, что имеем.
«Большой взрыв» продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время «Большого взрыва». Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.
В первые мгновения «Большого взрыва» вся материя была сильно раскалённой и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотона: частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре, согласно этому материализация в результате понижающейся температуры раскалённого вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звёздную.
Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.
Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжёлые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые лёгкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды. К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Её не хватало уже для возникновения самых лёгких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с, в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.
Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже. Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем «реликтовыми». Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.