План
Введение
Глава 1. Теория Большого Взрыва
.1 Основные положения теории Джорджа Гамова о "большом взрыве"
.2 Подтверждение теории "большого взрыва"
Глава 2. Новые космологические теории
.1 Мейнстримовская (консенсусная) теория эволюции Вселенной
.2 «Пиротехническая» теория
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Современная астрономия переживает новую эпоху великих открытий, которые превосходят сделанные в свое время Галилеем. Они приводят к радикальным изменениям в научной картине мира. Теория раздувающейся Вселенной, квантовая космология расширили границы мегамира; наша Метагалактика выступает сейчас лишь одной из множества вселенных. Объектом интенсивного изучения стали черные дыры, существование которых во Вселенной предсказано общей теорией относительности. Сохраняет значение и проблема внеземных цивилизаций. Моделирование возможных сценариев их развития позволяет по-новому, с космической точки зрения оценить перспективы нашей собственной цивилизации, пути разрешения глобальных проблем современности.
Космологией называется отрасль науки, занимающаяся вопросами происхождения Вселенной. Интерес к ней не иссякал тысячелетиями почти во всех цивилизациях. Однако вплоть до нынешнего века все космологические исследования имели под собой весьма скудную научную основу, а то и вообще никакой, основываясь исключительно на домыслах. Важно отметить, что даже к середине двадцатого столетия положение мало изменилось в лучшую сторону. Как пишет Нобелевский лауреат, профессор Гарвардского университета Стивен Вайнберг: "в пятидесятых годах нашего века принято было думать, что уважающий себя ученый не станет уделять время такому предмету, как изучение ранних стадий развития Вселенной, тогда просто не существовало экспериментальной и теоретической основы, на которой можно было бы построить историю Вселенной на ранних стадиях развития."
Распространенный в пятидесятых годах подход к космологии был основан на убеждении, что Вселенная, какой мы ее сегодня наблюдаем, всегда существовала в своем теперешнем виде. И в самом деле - предполагаемая неизменность Вселенной подтверждалась результатами тысячелетних непрерывных астрономических наблюдений, рисующих постоянную, не изменяющуюся картину неба. Расположение звезд и созвездий, наблюдаемое нами сегодня, практически тождественно тому, которое мы находим в записях древних звездочетов. Традиционное представление о неподвижности звезд естественным образом подсказывает нам мысль о неизменности Вселенной; оно, вероятно, и объясняет отчасти нашу готовность к восприятию этой мысли, хотя никакого подлинно научного обоснования у нее нет.
Цель работы - исследование содержания, основных элементов современных космологических моделей.
Задачи:
) изучить теорию Большого Взрыва;
) рассмотреть новые космологические теории.
Глава 1. Теория Большого Взрыва
1.1 Основные положения теории Джорджа Гамова о "большом взрыве"
В 1946 году Джордж Гамов с сотрудниками предложил совершенно иную космологическую теорию. Основные особенности этой революционной теории представлены в таблице 1, в которой время измеряется миллиардами лет. Настоящее время обозначено цифрой "15", ибо, по теории Гамова, Вселенная началась 15 миллиардов лет назад. Именно в тот момент, обозначенный на таблице цифрой "О", появился внезапно, из ничего, гигантский огненный шар, так называемый первичный сгусток энергии, известный в популярном обиходе как "большой взрыв". Внезапным появлением первичного огненного сгустка и ознаменовалось начало Вселенной, в том смысле, что до "большого взрыва" не существовало абсолютно ничего. "Большой взрыв", таким образом, является точнейшим воплощением сотворения ex nihilo [7, C.223].
Таблица 1.
Событие Время (миллиарды лет) Настоящее время 15 Образование атомов и молекул Вселенная внезапно становится прозрачной. Начинает сиять свет, заполняя всю Вселенную 0,001 Внезапное появление первичного сгустка энергии. Начало Вселенной "Большой взрыв" созидание ex nihilo 0
Термин "огненный шар" не должен создавать ошибочного впечатления, будто бы что-то действительно горело. Этот сгусток представлял собой высочайшую концентрацию чистой энергии. Знакомым нам примером концентрированной чистой энергии является яркое световое пятно, образуемое солнечными лучами в фокусе увеличительного стекла. Первичный огненный шар можно представить себе в виде увеличенного в миллионы раз сгустка солнечных лучей, концентрированных линзой.
Оставим пока важнейший вопрос о том, откуда появился этот огненный сгусток, и займемся описанием некоторых основных особенностей этой теории. В частности, каким образом происходило развитие первичного сгустка энергии, результатом которого явилась та Вселенная, которую мы знаем? Наш мир состоит из материи (в виде атомов и молекул), являющей собой исходную составную часть всего, что мы видим, от звезд и галактик до океанов, деревьев и животных. Откуда же взялась вся эта материя?
Ответ содержится в знаменитой формуле эйнштейновской теории относительности:
Е = mс2,
где Е означает энергию, m - материю, и с - скорость света. Эта формула отражает способность материи превращаться в энергию. Более того, поскольку с2 представляет собой огромную величину, малого количества материи достаточно, чтобы произвести гигантское количество энергии [7, C.229].
Такое превращение материи в энергию не есть всего лишь гипотетическая возможность, оно лежит в основе производства атомной энергии; Хиросима и Нагасаки были разрушены мощными атомными бомбами - а с другой стороны, миллионы семей пользуются электричеством, полученным в результате использования того же процесса в мирных целях. Теория "большого взрыва" построена на том, что эйнштейновская формула действует в обоих направлениях: не только материю можно превратить в энергию, но и энергия может быть превращена в материю. Хотя для производства даже малого количества материи требуется огромное количество энергии, запас ее в первичном сгустке был столь грандиозен, что он послужил источником всей материи, существующей ныне во Вселенной.
Первичный сгусток состоял из световой энергии того же типа, какая излучается Солнцем. Термин "свет" употреблен нами для обозначения общего явления, называемого учеными "электромагнитное излучение". Явление это легче всего объяснить, вновь обратившись к Солнцу. Электромагнитное излучение Солнца, видимое глазом, называется видимым светом. Спектр его включает все оттенки от красного до синего (знакомые нам цвета радуги). Солнце испускает также электромагнитное излучение, не видимое глазом, или невидимый свет. "Цветовой" спектр невидимого солнечного света включает в себя инфракрасные лучи (дающие коже ощущение тепла), ультрафиолетовые лучи (причина загара), микроволны (используемые в микроволновыхпечах), радиоволны, рентгеновские лучи и т.п. Существенной разницы между цветами видимого и невидимого света нет; все вместе они составляют полный спектр электромагнитного излучения. Заряженный соответствующей пленкой фотоаппарат с равным успехом зарегистрирует все эти цвета. Поэтому, следуя общепринятой практике, мы называем словом "свет" все электромагнитное излучение, включая как видимый, так и невидимый свет [11, C.108].
Мы подходим теперь к важнейшему событию, совершившемуся вскоре после "большого взрыва", и обозначенному в таблице цифрой 0,001. Для понимания этого события необходима некоторая базисная информация. Известной нам формой материи являются атом либо группа атомов, называемые молекулой. Однако, когда, сразу после нулевого времени, произошло образование материи, она не существовала в форме атомов. Невероятно высокая температура первичного сгустка мгновенно разрушила бы любой атом. Поэтому материя существовала в иной форме, которая называется "плазмой". Существенное различие между этими двумя формами материи заключается в том, что атом в электрическом отношении нейтрален, тогда как плазма состоит из частиц, несущих либо положительный, либо отрицательный заряд. Эти заряженные частицы "ловят" свет, блокируя его проникновение сквозь плазму. Поэтому со стороны плазма всегда выглядит темной.
Спустя доли секунды после "большого взрыва" вселенная состояла из света первичного сгустка, пронизывающего плазму. Хотя свет сгустка был невероятно силен, плазма вобрала его в себя; свет не мог проникнуть сквозь нее и потому был "невидим". Чтобы представить себе эту ситуацию, вообразите, что в мире имелся в то время некто с фотоаппаратом. Вселенная казалась бы нашему фотографу темной из-за плазмы, и заснятые им кадры были бы абсолютно черными, хотя Вселенная была наполнена светом первичного огненного шара. Дело выглядело бы так, словно кто-то, не пользуясь вспышкой, нащелкал снимков в совершенно темной комнате.
Начиная с нулевого момента, раскаленный первичный сгусток стал стремительно охлаждаться. К моменту, обозначенному на таблице цифрой 0,001, он охладился настолько, что это позволило заряженным частицам плазмы соединиться и образовать атомы. Образование атомов из плазмы было жизненно-важным событием, определившим путь развития Вселенной в ее теперешнем виде [11, C.111].
В противоположность плазме, любое пространство, наполненное свободными атомами и молекулами, совершенно прозрачно. Стоит лишь вспомнить прозрачную атмосферу нашей планеты, состоящую из молекул воздуха (в основном, азота и кислорода). Свет свободно струится сквозь атмосферу; с поверхности Земли отчетливо видны Солнце, Луна, отдаленные звезды и галактики. Таким образом, когда 15 миллиардов лет назад плазма внезапно превратилась в атомы и молекулы, она перестала задерживать свет огненного сгустка. Свет этот превратился в "видимый"; он вскоре заполнил всю Вселенную и заполняет ее по сей день.
На этом мы заканчиваем наше, очень краткое, описание основных положений теории Джорджа Гамова о "большом взрыве". Как и для каждой научной теории, критерием ее приемлемости служит подтверждение практикой правильности ее предположений. Наиболее поразительным в теории "большого взрыва" является предположение о том, что мир заполнен светом вот уже 15 миллиардов лет, с самого "начала времени". Этот свет, большая часть спектра которого невидима, обладает совершенно особыми качествами (рассматривать их сейчас нет необходимости), благодаря которым его легко отличить от любых других видов электромагнитного излучения. Однако, предсказанная радиация не была обнаружена. И вот почему: первичный сгусток был невероятно раскален и содержал гигантскую энергию. С течением времени, однако, он расширялся и охлаждался, в результате чего лучистая энергия распространялась во все стороны. Сегодня, пятнадцать миллиардов лет спустя, энергия первичного сгустка чрезвычайно сильно разрежена, его электромагнитная радиация столь слаба, что обнаружить ее с помощью имевшейся прежде научной аппаратуры было технически невозможно [6, C.95].
Подытожим ситуацию. Космологическая теория "большого взрыва" коренным образом отличалась от общепринятых концепций. Кроме того, выдвинутое теорией драматическое предположение о существовании особого излучения, наполняющего всю Вселенную, не могло быть проверено по техническим причинам. Не удивительно поэтому, что теория "большого взрыва" не была воспринята научной средой всерьез.
.2 Подтверждение теории "большого взрыва"
После Второй мировой войны во многих областях технологии произошли революционные сдвиги. То была эпоха полупроводников, лазера и электронно-вычислительных машин. Научная аппаратура также подверглась радикальному усовершенствованию. Многие эксперименты, проведение которых было неосуществимо с помощью техники сороковых годов, стали рутиной в шестидесятых. Детекторы радиации, что особенно для нас важно, тоже были усовершенствованы во стократ. К шестидесятым годам обнаружение сверхслабой магнитной радиации, предсказанной теорией "большого взрыва", стало технически осуществимым.
В 1965 году два американских ученых, сотрудники научно-исследовательской лаборатории телефонной компании "Белл", Арно Пензиас и Роберт Уилсон, занимались измерениями галактических радиоволн с помощью особо чувствительных антенн. Во время испытания антенны они заметили очень слабое, незнакомое электромагнитное излучение, которое шло, казалось, со всех сторон из космического пространства. Вскоре стало ясно, что это и есть та самая радиация, которую предсказала теория "большого взрыва" [1, C.222].
После опубликования открытия Пензиаса и Уилсона их результаты были подтверждены многими другими исследователями. В настоящее время не остается и тени сомнения, что это фундаментальное предположение теории "большого взрыва" является научно обоснованным фактом. Более того, подтвердились также и другие ключевые предположения этой теории. Так, например, теория предполагает, что все галактики Вселенной разбегаются с огромной скоростью в результате первоначального взрыва, причем отдаленные галактики движутся с большей скоростью, чем ближние. Это угаданное Гамовым "разбегание" галактик было подтверждено, главным образом, исследованиями американского астронома Эдвина Хаббла; скорость галактического движения получила название константы Хаббла. Еще одна победа теории "большого взрыва" связана с химическим составом Вселенной. Соотношение количества водорода и гелия, наблюдаемое во Вселенной, полностью соответствует постулатам теории.
Теория "большого взрыва" получила дополнительное подтверждение в конце 90-х годов, когда космический спутник СОВЕ передал результаты произведенных им измерений. Американское Агентство по Освоению Космического Пространства (NASA) запустило этот спутник за пределы атмосферы с целью измерения различных свойств излучения, вызванного "большим взрывом". Полученная информация полностью подтвердила теорию "большого взрыва". Английский журнал Nature назвал эти исследования "триумфом науки", а журнал Scientific American за июль 1992 года открывался статьей "Дальнейшие доказательства теории 'большого взрыва" [1, C.229].
Открытия, сделанные в 1992 году с помощью СОВЕ, неоднократно освещались также и в широкой прессе. Поскольку все предположения теории "большого взрыва" получили подтверждение, она превратилась в общепринятую космологическую теорию, все же прочие теории этого рода были преданы забвению. В настоящее время все космологические исследования проводятся исключительно в рамках теории "большого взрыва" Окончательное признание обоснованности этой теории пришло в 1978 году, когда Арно Пензиасу и Роберту Уилсону за их фундаментальное открытие была присуждена Нобелевская премия по физике. К сожалению, Джордж Гамов умер в 1968 году и не мог разделить с ними славу, ибо правила Нобелевского комитета не допускают присуждения премии посмертно
Значение открытия Пензиаса и Уилсона трудно переоценить. Профессор Стивен Вайнберг назвал его "одним из важнейших научных открытий двадцатого века". Энтузиазм Вайнберга вполне понятен Теория "большого взрыва" радикально изменила наши представления о происхождении Вселенной.
Начиная с 1980 года, теория "большого взрыва" обогатилась существенными новыми открытиями, которые Гут и Стайнхардт определили общим термином "расширяющаяся Вселенная". В недавно опубликованной статье, где подводятся итоги этих новых открытий, имеется следующая фраза: "первоначально Вселенная находилась в беспорядочном, хаотическом состоянии". Одна из новых книг по космологии подробно рассматривает феномен изначального хаоса и проистекающие из него важнейшие космологические последствия. Раздел книги, где рассматривается этот вопрос, озаглавлен "Первичный хаос" и помещен в главе, называющейся "От хаоса к космосу". И, наконец, Андрей Линде, профессор Московского физического института имени Лебедева, предложил так называемый "сценарий хаотического расширения", описывающий истоки Вселенной. Объяснение природы этого хаоса и его значения выходит за пределы данной монографии, однако необходимо подчеркнуть, что роль хаоса в развитии первоначальной Вселенной превратилась в важнейший предмет космологических исследований [5, C.22].