Важнейшие достижения современной науки в познании структуры и развития материи

Космология — это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем. Существует понимание космологии как физического учения о всей Вселенной в целом и в частности — о Метагалактике. Но такое понимание спорно, так как не включает вклада астрономии в учение о Вселенной, свойствах звезд, галактик, квазаров и других космических объектов.

Космология как наука об эволюции Вселенной — очень молодая наука. Несмотря на то, что космологические настроения явились ядром многих учений, начиная с древности, они все были лишь предысторией научной космологии.

В последние годы были предприняты попытки осуществления программы космологического эволюционизма с учетом новых данных космологии и физики. Эта концепция основана на так называемой модели Большого взрыва.

Современная наука дает возможность построить более или менее убедительно в своих основных чертах картину глобальной эволюции. Наиболее характерными особенностями этой эволюции являются:

1. Признание того, что она должна начинаться с простого состояния.

2. Последующее усложнение материальных систем.

3. Глобальная эволюция может осуществляться только в результате взаимодействия микро- и макроэволюции.

Выделяют несколько этапов развития космологических теорий.

1. Классическая космология (Ньютон, Кант, Ламберт, Шарлье и т.д.) давала модель иерархической структуры Вселенной в виде бесконечной последовательности систем все возрастающих масштабов.

Недостатки:

1) была плохо обоснована;

2) не учитывала уменьшения гравитационных сил с увеличением расстояния;

3) гравитационных сил недостаточно для удержания галактик и их скоплений;

4) галактики со временем должны распасться на отдельные элементы.

Было принято, что Метагалактика — самая большая космическая система, в которой концентрируются галактики. Сами же метагалактики распределены в пространстве равномерно и однородно на сколь угодно больших расстояниях.

2. Созданная А. Эйнштейном общая теория относительности связала тяготение с кривизной пространства-времени. Тяготеющие массы через гравитационное поле вызывают искривление пространства-времени, а уравнения Эйнштейна связывают кривизну пространства-времени с плотностью массы, импульсом, потоками масс и импульсов. На основе этих уравнений была разработана «статическая модель Вселенной».

3. Нестационарность Вселенной. Советский математик А.А. Фридман в 1922 г. нашел иное решение уравнений общей теории относительности. Вселенная не стационарна, и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых

масштабах. Он вывел три следствия из предложенных решений:

? Вселенная и ее пространство расширяются со временем;

? Вселенная сжимается;

? во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

4. В 1926 г. американский астроном Хаббл исследовал спектры далеких галактик и подтвердил вывод Фридмана о нестационарности Вселенной, в результате чего в космологии утвердилось мнение — модель расширяющейся Вселенной.

Согласно этой модели, считается, что расширению Вселенной предшествовал этап, когда материя в определенной ее части находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. Ученые предполагают, что в таком состоянии она оставалась крайне простой структурой. Между частицами и связывающими их силами существовала симметрия. Таким образом, более двадцати миллиардов лет назад все вещество Вселенной находилось в точечном объеме с бесконечной плотностью. Как оно там оказалось? Модель не объясняет, но предполагается, что в результате гравитационного коллапса произошло разрушение всех атомных ядер, элементарных частиц и материя сжалась в точку с бесконечной массой и плотностью.

С этой точкой зрения не все физики согласны, например, академик В.Л. Гинсбург считает, что уравнения специальной теории относительности применимы лишь до масштабов 10^-33см.

Таким образом, необходима разработка квантовой теории гравитации, которая будет более точно описывать тяготение.

Инфляционная теория

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, современная космология рассматривает сценарий, включающий инфляционную стадию. Инфляция в переводе с латинского — вздутие. Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что и расширение Вселенной и весь последующий ход эволюционного развития рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Однако в физическом смысле вакуум не есть пустота, в нем постоянно происходят процессы рождения и уничтожения всевозможных частиц, квантов, полей. В контексте инфляционной теории эволюция Вселенной представляется как синергетический самоорганизующийся процесс.

Модель Большого взрыва

Считается, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Причины Большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях Вселенной считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой физической современной теории. Но если взрыв был, то дальше картина выглядит следующим образом (Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982. С. 75-76, 79-217):

1. Через 10^-43 с от начала расширения началось рождение частиц и античастиц.

2. Через 10^-6 с — возникновение протонов и антипротонов и их аннигиляция. Количество протонов на одну стомиллионную часть (10^-8) превышало количество антипротонов, в результате чего после аннигиляции возникло и сохранилось то вещество, из которого возникли все галактики, звезды и планеты. Если бы число протонов было бы равно числу антипротонов, то вещество полностью перешло бы в излучение и невозможно было бы наблюдение Космоса и Земли.

3. Через 1 с после начала расширения стали рождаться и аннигилировать электронно-позитронные пары.

4. Через 1 мин начались ядерный синтез и образование ядер дейтерия и гелия. На долю последних пришлось примерно 30% от массы оставшихся протонов. Образование более тяжелых элементов в рамках этой

теории объяснить не удалось, так как не хватило времени для их синтеза в процессе расширения. Эти элементы образуются в последующей эволюции звезд в результате термоядерных реакций в их недрах, а тяжелые элементы синтезируются при взрыве сверхновых и затем выбрасываются в космическое пространство, где они со временем концентрируются в газово-пылевые облака, из которых образуются звезды второго поколения типа Солнца и планеты вокруг них.

Через 300 тыс. лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от вещества, Вселенная стала прозрачной, в последующие миллиарды лет стали формироваться галактики, первичные звезды в шаровых скоплениях и звезды второго поколения в спиральных рукавах галактик.

В современной космологии происходит борьба идей. В модели Большого взрыва всей материи неясны причины взрыва, а выделившаяся при этом энергия не может быть объяснена никакими законами физики. Все, что не запрещено законами природы может быть где-нибудь, когда-нибудь реализовано, если это законы объективного мира. Но следует различать объективные законы природы и теоретическое выражение этих законов в науке. Последние всегда являются приближением к первым, поэтому далеко не всякая теоретическая модель может иметь объективный аналог в природе.

Различные ветви эволюции

Переход к вещественным структурам начинается при температуре порядка 4000 К. При охлаждении до 3000 К протоны захватывают свободные электроны, в результате чего образуются ядра легких элементов. Дальнейшее охлаждение вело к образованию молекул.

Таким образом, эта ветвь эволюции связана с микропроцессами и привела к образованию элементарных частиц, атомов, молекул и т.п.

Другая ветвь эволюции охватывает микропроцессы, начиная от возникновения кристаллов, минералов и заканчивая появлением звезд, звездных скоплений, галактик и супергалактик. Этот процесс начался через 700 тыс. лет после Большого взрыва. Усложнение материи на всех этапах эволюции сопровождалось разрушением прежних симметрии между основными физическими взаимодействиями. Сначала сильное взаимодействие в пределах атомных ядер и появления атомов. Затем значительную роль получают электромагнитные силы, которые способствуют появлению большинства физических макромолекул. И, наконец, с появлением больших космических тел на первый план выходят гравитационные силы.

Рассмотренная выше модель не является абсолютной. Уже сейчас выдвигаются альтернативные подходы, например, модель пульсирующей Вселенной, в которой периодически появляются этапы «сбегания» и «разбегания» материи.

Дальнейшая эволюция Вселенной в различных моделях рисуется неоднозначно. Все эти модели представляют собой идеализации, основанные на определенных постулатах. Так как мы ничего не знаем о поведении Вселенной за пределами нашего ближайшего окружения с радиусом 10⁸ световых лет, то, очевидно, что никакая модель не может определить точно момент времени, когда началось расширение Вселенной. Мы можем только грубо оценить, что длительность расширения ближайшей к нам области может быть порядка 10⁹—10¹⁰лет.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: