Концепции современного естествознания

1. Существуют общие законы развития сложных систем во времени.

2. Все самоорганизующиеся системы являются открытыми системами.

3. Между составляющими их элементами господствуют связи нелинейного, неравновесного и необратимого во времени характера.

4. Все самоорганизующиеся и развивающиеся системы приходят со временем к неустойчивому состоянию.

5. Выход систем, о которых говорилось выше, из неустойчивого состояния происходит случайным образом, не нарушая универсальные законы природы.

6. В живом и в материальном мире в целом асимметричные и неожиданные сценарии становления и развития событий являются механизмом эволюции Вселенной.

Ниже приведены термины, значение которых важно иметь в виду для понимания концепций эволюции Вселенной.

Метагалактика (греч. meta -- после, сверх и galaktikos -- млечный, молочный) -- доступная наблюдению часть мироздания на основе непосредственных и косвенных методов изучения. На современном уровне горизонт Метагалактики, доступный наблюдению с помощью телескопов космического и наземного базирования, составляет более 1028 м.

Вселенная -- вся система мироздания, включающая Метагалактику и все выходящее за ее пределы. Космология (греч. kosmos -- упорядочный мир, logos -- наука) -- наука о наиболее общих пространственно-временных свойствах Вселенной. Космогония (в буквальном переводе с греческого языка означает происхождение космоса) -- раздел астрономии о происхождении объектов и их систем во Вселенной. Скорость света -- 300 тыс км/с. Световой год -- 9,46 ·1012 км, т. е. 9,46 трлн км. Это расстояние свет проходит за 365,24 земных суток. пс (парсек) -- 3,26 световых лет, т. е. 31 трлн км, 1 кпс (килопарсек) -- 1000 пс, 1 Мпс (млн парсек).

Термин «парсек» образован от греческих слов «параллакс» (отклонение) и «секунда». Он означает в буквальном переводе на русский язык отклонение на одну секунду дуги. Один парсек (1 пс) -- это расстояние, с которого мысленно можно увидеть средний радиус земной орбиты вокруг Солнца под углом, равным 1 секунде дуги. Этот метод вычисления расстояния в астрономии был предложен Н. Коперником. Измерение проводится с двух концов известной длины отрезка: направленные на объект линии из концов этого обрезка образуют треугольник. Два прилежащих угла и длина основания треугольника позволяют рассчитать размеры треугольника. Чем больше длина основания треугольника, тем точнее измерение. Если измерять положение одной и той же звезды относительно других звезд в двух противоположных точках орбиты Земли вокруг Солнца в течение года, можно зафиксировать незначительное смещение ее местоположения. Это смещение называется параллактическим, а угол, на котором произошло смещение, называется параллаксом. Соответствие между временными и геометрическими единицами измерения: 360° -- 24 часа, 15° -- 1 час, 15' -- 1 минута, 1" -- 4 секунды. Расстояние от Земли до Солнца, равное приблизительно 150 млн км, называется в астрономии астрономической единицей расстояния (1а. е.).

6.2 Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической науки

Французский зоолог Ж. Л. Леклерк, граф Бюффон (1707--1788), принадлежит к числу ученых XVIII в., интересовавшихся вопросами эволюции Вселенной. Он является автором гипотезы образования планет из вещества Солнца, выброшенного из недр Солнца за счет его вращения. Он проводил эксперименты с раскаленными и остывающими вращающимися шарами, которые позволили ему высказать мысль о том, что на образование Земли потребовалось всего лишь 75 тыс. лет.

Эволюционная идея Бюффона близка небулярной гипотезе немецкого философа И. Канта и французского математика, физика П. Лапласа. Оба исходили из предположения об образовании структур во Вселенной (в частности, Солнечной системы, о которой в основном речь шла в гипотезе Лапласа) из космических частичек космического облака. И. Кант ввел в свою гипотезу наряду с силой тяготения еще и силу отталкивания. Работа И. Канта с изложением этой гипотезы появилась в 1754 г., работа Лапласа «Изложение системы мира» -- в 1798 г. Разумеется, в то время не представлялось возможным говорить о размерах этого облака и физико-химических свойствах составляющих его частиц. Здесь было много логики, рассуждений и интуиции. В частности, Лаплас считал, что в первоначальном своем состоянии Солнце по своим размерам превышало радиус орбиты планеты Юпитер вокруг Солнца. Юпитер -- самая большая планета Солнечной системы (планета-гигант). Ее поперечник в 13 раз больше поперечника Земли (радиус Земли = 6370 км). Юпитер в 300 раз массивнее Земли и в 2 раза массивнее всех планет Солнечной системы, вместе взятых. Из него можно «выкроить» 1300 шаров размером с Землю. Период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет, приблизительно 12 земных лет. Период вращения вокруг своей оси составляет приблизительно 10 часов. Среднее расстояние от Солнца равно 778,3 млн км (5,2 а. е.). Он имеет более 40 спутников.

Согласно Лапласу сжатие, размеры, вращение Солнца привели к отделению в плоскости его экватора части вещества в форме газового кольца, из которого образовались планеты. Фрагментация этого кольца привела к образованию планет, из которых по тому же механизму образовались и спутники отдельных планет. В гипотезе Лапласа Солнечная система представлялась замкнутой механической системой. Она столкнулась с объяснением момента количества движения Солнца и его планет. Под моментом количества движения имеется в виду, грубо говоря, распределение движения вещества системы относительно неподвижной точки на оси вращения всей системы. Оказалось, что момент количества движения планет в 20 раз больше момента количества движения Солнца. Это противоречило законам сохранения классической механики.

Лишь в середине ХХ в. советский ученый О. Ю. Шмидт (1891--1956) предложил новую гипотезу о Солнечной системе, в которой она представлялась открытой динамической системой, происхождение которой связано с процессом образования нашей Галактики. Тем самым вопрос о соответствии момента количества движения Солнечной системы и ее составляющих элементов потерял свою актуальность. Гипотеза И. Канта -- П. Лапласа оказала большое влияние на развитие эволюционных представлений о Вселенной, поскольку содержала много прозорливых идей. В частности, в ней четко прослеживалась мысль о том, что между исходными физическими и химическими свойствами элементов туманностей и свойствами образовавшихся из них объектов должно существовать определенное соответствие.

Эта идея нашла свое выражение в космогонических моделях. Основателем наблюдательной космогонии считается великий английский астроном В. Гершель (1738--1822). Он является автором морфологической гипотезы образования звезд из ярких газовых туманностей, которые, в свою очередь, в соответствии с законом всемирного тяготения, образовались из аморфных, бесформенных неконцентрированных туманностей. Гипотеза В. Гершеля имела много последователей в XIX в. На ее основе возникло так называемое великое космологическое заблуждение XIX в. Считалось, что звезды образуются из туманностей, типа туманности Андромеды. В ХХ в. было доказано, что эти яркие туманности являются на самом деле галактиками, состоящими из огромного количества звезд.

В 1912 г. американский астроном В. Слайфер, пользуясь телескопом с приборами спектрального анализа, установил, что яркие туманности В. Гершеля -- это галактики. Он же установил факт «разбегания», удаления галактик.

Но в то время шла Первая мировая война, и на данное открытие не обратили внимания. Надо подчеркнуть, что это открытие не было известно ни А. Эйнштейну, ни А. Фридману, когда они создавали свои модели Вселенной.

Что касается космологического заблуждения XIX в., то еще в 1847 г. наш соотечественник В. Струве (1793--1864) доказал, что пространство между звездами уменьшает светимость звезд приблизительно на 0,6 звездной величины. Этот факт позволил бы избежать великого космологического заблуждения XIX в. Существуют не только яркие туманности (галактики), но и собственно туманности (холодные, теплые, горячие туманности из атомарного, молекулярного водорода) в межзвездной среде. Но это было известно уже в ХХ в. Космогонические идеи В. Гертеля получили развитие в начале ХХ в.

В 1902 г. английский астроном Д. Джинc (1877--1946) опубликовал работу «Устойчивость сферической туманности», в ней он использовал информацию из газовой термодинамики. Он полагал, что звезды образуются из газовых облаков за счет действия силы тяготения, которая заставляет их сжиматься, скручиваться и уменьшаться в объеме. Этот процесс, по Джинсу, приводит к увеличению плотности газа в объеме его нагревания, что выражается в возникновении силы давления, направленной против действия силы тяготения. Таким образом, у него плотность газового облака соответствует силе гравитации, а давление -- упругости среды в результате сжатия гравитацией газового облака. Сила гравитации и сила давления составляют физическую основу его гипотезы: соотношение между давлением и плотностью определяет степень устойчивости звезды, образованной из газового облака. Д. Джинc вычислил некоторые величины, необходимые для звездообразования, получившие название -- величины Джинса: Rj -- приблизительно 1,5 · 104 (радиус облака, необходимый для звездообразования); Mj-- приблизительно 1,4 массы Солнца; Lj-- длина Джинса, расстояние, на котором сила тяготения и давления сравнимы по величине.

Д. Джине не располагал сведениями о химическом составе межзвездной среды (МЗС). Эти сведения появились позднее. Одним из интересных следствий данной гипотезы является возможность возникновения в расширяющейся однородной среде областей, в которых собственная скорость расширения отстает от скорости расширения всей среды в целом. В 40-х годах ХХ в. Наш соотечественник Е. М. Лившиц сформулировал гипотезу, согласно которой «отстающие» области в расширяющейся однородной среде могут создавать относительно устойчивые структуры в таких средах. Это является одним из способов решение парадокса, сформулированного немецким астрономом Г.Ольберсом в 1826 г.

Космогонические идеи звездообразования В. Гершеля и Д. Джинса получили дальнейшее развитие с созданием квантовой механики, открытием законов микромира. Особый интерес был проявлен к выяснению процессов, происходящих внутри Солнца. Одной из первых моделей физических процессов, происходящих внутри Солнца, была модель английского физика А. Эддингтона, опубликованная в его книге «Звезды и атомы» (1927). Эта модель учитывала информацию из квантовой механики. До появления этой модели теории и гипотезы эволюции Вселенной основывались в большинстве случаев на данных спектральных исследований небесных тел, что позволило расширить сведения о наблюдаемых небесных телах в астрономических каталогах (греч. katalogs -- список), определить размеры звезд и разбить их на спектральные классы, включая туманности и другие известные объекты наблюдения того времени.

В 1900 г. американский астроном Э. Пикеринг (1846--1919) предложил разбить все известные звезды на спектральные классы, учитывающие светимость (силу света, яркость) звезд. Светимость (I) -- величина полного светового потока, испускаемого единицей поверхности источника света (измеряется в люменах). Астрономы древности предложили называть наиболее яркие, видимые звезды звездами первой величины, а самые слабые, еле видимые -- звездами шестой величины. Была предложена шкала светимости от -1m до 6m, где символ т означает видимую звездную величину, определяемую при наблюдении с Земли. Эта величина зависит не только от яркости звезды (или другого объекта) и расстояния до нее, но и от среды (ее физических и химических свойств), в которой распространяется свет от звезд до наблюдателя.

Для того чтобы получить точные данные о светимости звезды, астрономы используют методы «мысленного перемещения звезды (другого объекта) на эталонные, стандартные расстояния от Земли». Такое расстояние равно 10 парсекам. С такого расстояния измеряется абсолютная звездная величина наблюдаемого объекта, которая обозначается символом М. Надо иметь в виду, что астрономия при изучении своих объектов пользуется разветвленной системой абстракций и идеализации. Например, при измерении светимости звезд они представляются сферическими образованиями (шарами). Например, Солнце представляется как шар с радиусом в 700 000 км, с поверхности которого, имеющей форму сферы, излучается энергия светового потока, равная величине: L = 3,86 · 1033 эрг/с.

Абсолютная звездная величина нашего Солнца на расстоянии 10 парсек равна 4,8m видимой звездной величины. Это означает, что при наблюдении с Земли на расстоянии 10 парсек наше Солнце видится как звезда со светимостью, равной 4,8m, т. е. как маленькая, тусклая звездочка 5-й видимой звездной величины. В дальнейшем шкала светимости была расширена: для очень ярких звезд стали использовать отрицательные величины: 0m, -1m, --2т и т. д., дробные и промежуточные значения светимости. Исследования показали, что звезды, отличающиеся на одну звездную величину, создают на Земле освещенность (наблюдаемую силу света, яркость), различающуюся приблизительно в 2,5 раза. В 1924 г. стала известна связь между массой звезды и ее светимостью. Э. Пикеринг разбил наблюдаемые звезды (святящиеся объекты) на спектральные классы и обозначил их соответствующими буквами латинского алфавита (О, В, A, F, G, К, М). Студенты-астрономы придумали легко запоминающуюся фразу, начальные буквы которой представляют эти классы: «О, be a fine girl, kiss me!»

Дальнейшие исследования позволили разбить каждый из спектральных классов на подклассы: от 0 до 9-го (10 подклассов в каждом классе) -- и ввести новые классы: R, N, S (классы холодных звезд).

Каждый из классов и подклассов представляет определенные типы звезд: класс О -- звезды с температурой до 100 000 К (Кельвина) и определенным химическим составом; класс М -- звезды с температурой 2000--2500 К, содержащие молекулярные соединения и металлы. Здесь речь идет о температуре внешних слоев звезды, внутри температура значительно выше.

В начале ХХ в. астрономы Э. Герцшпрунг (1879-1937) и Р. Ресселл (1877-1957) построили диаграмму светимости. Авторы этой диаграммы показали, что близкие по светимости объекты (звезды) образуют в пространстве обособленные области или последовательности. Э. Герцшпрунг назвал звезды, находящиеся в верхней и нижней части диаграммы (рис. 1), соответственно, гигантами и карликами. Данная диаграмма, точнее метод, позволила обнаружить естественный порядок на наблюдаемой небесной сфере.

Диаграмма, о которой говорилось выше, графически выглядит следующим образом

Диаграмма наглядно показывает области звезд-сверхгигантов (ярких, средних, слабых), субгигантов (лат. sub -- под), а также область звезд, получившая название главной последовательности (ГП), на которой находится наше Солнце, и области карликов и субкарликов.

Распределение наблюдаемых звезд на диаграмме показало, что большинство из них находится на ГП. Диаграмма косвенно указывала на определенные динамические процессы, происходящие в наблюдаемой области Вселенной.

Г. Ресселл предложил гипотезу «скольжения» или судьбы звезд. Согласно этой гипотезе звезда из области звезд гигантов переходит со временем на главную последовательность, а затем скользит вниз, в область карликов. Данная гипотеза подчеркивала важное значение знаний о процессах, происходящих внутри звезд.

В работе «Звезды и атомы» (1927) и в своих последующих работах А. Эддингтон построил модель Солнца. Кратко суть этой модели состоит в следующем: внутри Солнца происходят два типа реакций: протонно-протонная и азотно-углеродная. Эти реакции были предложены американским физиком Г. Бете (второй вид реакции был предложен независимо от Г. Бете астрофизиком К. Ф. фон Вейзекером).

Первый цикл начинается с взаимодействия двух протонов. Оно ведет к образованию дейтерия (21Н), взаимодействие которого с другим протоном ведет к образованию трития (3Н), далее взаимодействие дейтерия и трития ведет к образованию гелия (4Не) и нейтрона с образованием огромной энергии, которая позволяет возникнуть синтезу ядер азота и углерода. При температурах более 200 млн градусов Кельвина происходит, как полагают ученые, синтез ядер атомов практически всех элементов таблицы Менделеева.

А. Д. Эддингтон вычислил температуру внутри Солнца, равную 15 млн градусов Кельвина. При такой температуре обычное вещество переходит в состояние, называемое плазмой. Из модели А. Эддингтона следовало, что звездами следует называть космические объекты, внутри которых идут термоядерные реакции. Эти реакции возникают при температурах свыше 10 млн градусов Кельвина. Современные данные подтверждают выводы модели А. Эддингтона. В 40-х годах ХХ в. стал известен химический состав Солнца: водород приблизительно 91%, гелий приблизительно 7%, другие химические элементы приблизительно 2--3% (тяжелые химические элементы).

6.3 Релятивистские модели Вселенной

В 1917 г. А. Эйнштейн построил модель Вселенной. В этой модели для преодоления гравитационной неустойчивости Вселенной использовалась космологическая сила отталкивания, получившая название лямбда-параметра. В дальнейшем Эйнштейн скажет, что это была грубейшая его ошибка, противоречащая духу созданной им теории относительности: сила тяготения в этой теории отождествляется с кривизной пространства-времени. Вселенная Эйнштейна имела форму гиперцилиндра, протяженность которого определялась общим количеством и составом форм проявления энергии (вещество, поле, излучение, вакуум) в этом цилиндре. Время в этой модели направлено от бесконечного прошлого к бесконечному будущему. Таким образом, здесь величина энергии-, массы Вселенной (вещество, поле, излучение, вакуум) пропорционально связана с пространственной ее структурой: ограниченная по своей форме, но бесконечного радиуса и бесконечная во времени.

Исследователи, которые стали анализировать эту модель, обратили внимание на ее чрезвычайную неустойчивость, подобную стоящей на ребре монете, одна сторона которой соответствует расширяющейся Вселенной, другая -- замкнутой: при учете одних физических параметров Вселенной, по модели Эйнштейна, она получается вечно расширяющейся, при учете других -- замкнутой. Например, голландский астроном В. де Ситтер, допустив, что время искривлено так же, как и пространство в модели Эйнштейна, получил модель Вселенной, в которой в очень удаленных объектах время полностью останавливается.

А. Фридман, физик и математик Петроградского университета, опубликовал в 1922 г. статью «О кривизне пространства». В ней приводились результаты исследований общей теории относительности, которые не исключали математической возможности существования трех моделей Вселенной: модель Вселенной в евклидовом пространстве (К = 0); модель с коэффициентом, равным (К> 0) и модель в пространстве Лобачевского -- Больяй (К < 0).

В своих вычислениях А. Фридман исходил из положения о том, что величина и радиус Вселенной пропорциональны величине энергии, вещества и другим формам ее проявления во Вселенной в целом. Математические выводы А. Фридмана отрицали необходимость введения космологической силы отталкивания, поскольку из общей теории относительности не исключалась возможность существования модели Вселенной, в которой процессу ее расширения соответствует процесс сжатия, связанный с ростом плотности, давления составляющей Вселенную энергии-материи (вещество, поле, излучение, вакуум). Выводы А. Фридмана вызвали сомнение у многих ученых и у самого А. Эйнштейна. Хотя уже в 1908 г. математик Г. Минковский, дав геометрическую интерпретацию специальной теории относительности, получил модель Вселенной, в которой коэффициент кривизны равен нулю (К = 0), т. е. модель Вселенной в евклидовом пространстве.

Н. Лобачевский, основатель неевклидовой геометрии, проводил измерение углов треугольника между удаленными от Земли звездами и обнаружил, что сумма углов треугольника равна 180°, т. е. пространство в космосе является евклидовым. Наблюдаемая евклидовость пространства Вселенной является одной из загадок современной космологии. В настоящее время считается, что плотность вещества во Вселенной составляет 0,1--0,2 части от критической плотности. Критическая плотность примерно равна 2 · 10-29 г /см3. Достигнув критической плотности, Вселенная начнет сжиматься.

Модель А. Фридмана с «К > 0» -- это расширяющаяся Вселенная из исходного ее состояния, к которому она должна вновь возвратиться. В этой модели появилось понятие возраста Вселенной: наличие предшествующего состояния относительно наблюдаемого в определенный момент.

Предположив, что масса всей Вселенной равна 5 · 1021 масс Солнца, А. Фридман рассчитал, что наблюдаемая Вселенная находилась в сжатом состоянии по модели «K > 0» приблизительно 10--12 млрд лет тому назад. После этого она стала расширяться, но это расширение не будет бесконечным и через определенное время произойдет вновь сжатие Вселенной. А. Фридман отказывался обсуждать физику начального, сжатого состояния Вселенной, поскольку законы микромира к тому времени не были ясны. Математические выводы А. Фридмана многократно проверялись и перепроверялись не только А. Эйнштейном, но и другими учеными. Через определенное время А. Эйнштейн в ответе на письмо А. Фридмана признал правильность этих решений и назвал А. Фридмана «первым ученым, ставшим на путь построения релятивистских моделей Вселенной». К сожалению, А. Фридман рано умер. В его лице наука потеряла талантливого ученого.

Как уже отмечалось выше, ни А. Фридману, ни А. Эйнштейну не были известны данные о факте «разбегания» галактик, полученные американским астрономом В. Слайфером (1875--1969) в 1912 г. К 1925 г. он измерил скорость движения несколько десятков галактик. Поэтому космологические идеи А. Фридмана обсуждались преимущественно в теоретическом плане. Но уже в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889--1953) с помощью телескопа с приборами спектрального анализа открыл так называемый эффект «красного смещения». Свет, идущий от галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том, что наблюдаемые галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя.

Эффект «красного смещения» -- частный случай эффекта Доплера. Австрийский ученый К.Доплер (1803--1853) открыл его в 1824 г. При удалении источника волн относительно прибора, фиксирующего волны, длина волны увеличивается и становится короче при приближении к неподвижному приемнику волны. В случае световых волн длинные волны света соответствуют красному сегменту светового спектра (красный -- фиолетовый), короткие -- фиолетовому сегменту. Эффект «красного смещения» был использован Э. Хабблом для измерения расстояний до галактик и скорости их удаления: если «красное смещение» от галактики А, например, больше в два раза, чем от галактики В, то расстояние до галактики А в два раза больше, чем до галактики В.

Э. Хаббл установил, что все наблюдаемые галактики удаляются по всем направлениям небесной сферы со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: Vr = Нr, где r -- расстояние до наблюдаемой галактики, измеряемой в парсеках (1 пс приблизительно равен 3,1*1016 м), Vr -- скорость движения наблюдаемой галактики, З -- постоянная Хаббла, или коэффициент пропорциональности между скоростью движения галактики и расстоянием до нее от наблюдателя. Небесная сфера -- это понятие, которое используется для описания объектов звездного неба невооруженным глазом. Древние считали небесную сферу реальностью, на внутренней стороне которой закреплены звезды. Вычисляя значение этой величины, которую потом стали называть постоянной Хаббла, Э. Хаббл пришел к выводу о том, что она равна приблизительно 500 км/(с*Мпс). Иначе говоря, отрезок пространства в один миллион парсек увеличивается за одну секунду на 500 км.

Формула Vr= Нr позволяет рассматривать как удаление галактик, так и обратную ситуацию, движение к некоему исходному положению, началу «разбегания» галактик во времени. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени: t (время) = r/Vr = 1/H. При значении Н, о котором говорилось выше, Э. Хаббл получил время начала «разбегания» галактик, равное 3 млрд лет, что вызвало у него сомнение относительности правильности вычисленной им величины. Пользуясь эффектом «красного смещения», Э. Хаббл достиг самых удаленных галактик, известных в то время: чем дальше галактика, тем меньше воспринимаемая нами ее яркость. Это позволило Э. Хабблу говорить о том, что формула Vr = Hr выражает наблюдаемый факт расширения Вселенной, о котором говорилось в модели А. Фридмана. Астрономические исследования Э. Хаббла стали рассматриваться рядом ученых как опытные подтверждения правоты модели А. Фридмана о нестационарной, расширяющейся Вселенной.

Уже в 30-е годы некоторые ученые высказывали сомнения по поводу данных Э. Хаббла. Например, П. Дирак высказал гипотезу о естественном краснении квантов света в силу их квантовой природы, взаимодействия с электромагнитными полями космического пространства. Другие указывали на теоретическую несостоятельность постоянной Хаббла: почему величина постоянной Хаббла должна быть в каждой момент времени одинаковой в эволюции Вселенной? Это устойчивое постоянство постоянной Хаббла предполагает, что известные нам законы Вселенной, действующие в Мегагалактике, обязательны для всей Вселенной в целом. Возможно, как говорят критики постоянной Хаббла, существуют какие-то другие законы, которым не будет соответствовать постоянная Хаббла.

Например, говорят они, свет может «краснеть» за счет воздействия на него межзвездной (МЗС) и межгалактической (МГЗ) среды, которые могут удлинять длину волны его движения к наблюдателю. Другим вопросом, вызвавшим дискуссии в связи с исследованиями Э. Хаббла, был вопрос о предположении возможности движений галактик со скоростью, превышающей скорость света. Если это возможно, то тогда эти галактики могут исчезнуть из нашего наблюдения, поскольку из общей теории относительности никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Тем не менее большинство ученых считают, что наблюдения Э. Хаббла установили факт расширения Вселенной.

Факт расширения галактик не означает расширения внутри самих галактик, так как их структурная определенность обеспечивается действием внутренних сил гравитации.

Наблюдения Э. Хаббла способствовали дальнейшему обсуждению моделей А. Фридмана. Бельгийский монах и астроном Ж. Леметр (в первой половине прошлого) века обратил внимание на следующее обстоятельство: разбегание галактик означает расширение пространства, следовательно, в прошлом было уменьшение объема и плотности вещества. Первоначальную плотность вещества Леметр назвал протоатомом с плотностью 1093 г/см3, из которого Богом был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий пространства и времени. При плотности 1093 г/см3 понятия времени и пространства теряют свой обычный физический смысл. Эта модель привлекла внимание к физическому состоянию со сверхплотными и сверхгорячими физическими параметрами. Кроме этого, были предложены модели пульсирующей Вселенной: Вселенная расширяется и сжимается, но никогда не доходит до крайних пределов. Модели пульсирующей Вселенной придают большое значение измерению плотности энергии-вещества во Вселенной. При достижении критического предела плотности Вселенная расширяется или сжимается. В результате появился термин «сингулярное» (лат. singularus -- отдельный, единичный) состояние, в котором плотность и температура принимают бесконечное значение. Это направление исследований столкнулось с проблемой «скрытой массы» Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая масса Вселенной не совпадает с ее массой, вычисленной на основе теоретических моделей.

Модель «Большого взрыва». Наш соотечественник Г. Гамов (1904--1968) работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями А. Фридмана. В 1934 г. он был послан в командировку в США, где остался до конца своей жизни. Под влиянием космологических идей А. Фридмана Г. Гамов заинтересовался двумя проблемами:

1) относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и 2) их происхождением. К концу первой половина ХХ в. велась оживленная дискуссия по этим проблемам: где могут образовываться тяжелые химические элементы, если водород (11Н) и гелий (4 Н) являются самыми распространенными химическими элементами во Вселенной. Г. Гамов предположил, что химические элементы ведут свою историю от самого начала расширения Вселенной.

Модель Г. Гамова называется моделью «Большого взрыва», но она имеет и другое название: «А-Б-Г-теория». В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.

Кратко о сути этой модели:

1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.

3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал «Космологическим Большим взрывом».

5. Речь идет о необычном взрыве.

6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого взрыва.

7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.

8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.

Это явление было названо реликтовым (древним), фоновым излучением. В 1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него получилось 10 К. Реликтовое излучение -- это микроволновое электромагнитное излучение.

В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.

Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К>0) модели Вселенной. Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом неограниченно расширяющейся Вселенной.

Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом;

б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами -- 78 млн лет.

В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали рябью, позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энергии в результате действия сил гравитации на ранних стадиях развития Вселенной.

Модель «Инфляционной Вселенной».

Термин «инфляция» (лат. «inflation») трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10-30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 1050 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие инфлатонного поля. Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.

Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10-30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:

1) t -- 10-45 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10-50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» -- 10-43 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10-50 с;

2) t -- приблизительно от 10-43 до 10-35 с -- эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;

3) t -- приблизительно от 10-35до 10-5 -- быстрая часть инфляционной фазы, когда диаметр Вселенной увеличился в 1050 раз. Речь идет о возникновении и образовании электронно-кварковой среды;

4) t -- приблизительно от 10-5 до 105 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.

Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil -- ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» -- исключить из космологии понятие «Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние конфигурации инфлатонного поля. Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10--15 млрд лет.

«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на 0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя.

Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и «Самосогласованной космологии».

Модель «Стационарной Вселенной». Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний -- широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:

«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным». Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.

Модель «Холодной Вселенной». Модель была предложена в шестидесятых годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение теоретических значений плотности и температуры излучения по модели «Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.

Модель «Вселенная в атоме». Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир -- область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название фридмонов. Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, -- Метавселенная.

Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Модель «Большого взрыва».

2. Астрономические исследования Э. Хаббла и их роль в развитии

современной космологии.

3. Реликтовое, фоновое излучение.

4. Модель «Инфляционной Вселенной».

7. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ХИМИИ

7.1 Предмет познания химической науки и ее проблемы

Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

Основная проблема химии:

а). получение веществ с заданными свойствами;

б). выявление способов управления свойствами веществ.

С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые учувствуют в образовании химического соединения.

Энергия связи количественно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно - валентные электроны.

В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают 3 основные типа связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащими обоим атомам.

Ионная связь - электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов.

Металлическая связь - связь между положительными ионами в кристаллах металлов и обобществленными электронами, свободно перемещающимися по кристаллу.

Применение законов термодинамики в химии позволяет решать вопрос о принципиальной возможности различных процессов, условиях их осуществления, определить степень превращения веществ в химических реакциях и оценить их энергетику.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени.

Обычно реакция протекает через несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которой она протекает (С, t , катализаторов и т.д.)

Тепловой эффект химической реакции зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий реакции (экзо- и эндо- реакции!), а также от количества взаимодействующих веществ.

Таковы самые общие представления о предмете химической науки и круге ее научных интересов.

7.2 Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически. Но когда их стало очень много, назрела необходимость в классификации и систематизации. Основоположник системного подхода в химии - Д.И.Менделеев.

Системный подход позволил ему в 1869 году открыть Периодический закон и разработать периодическую систему химических элементов.

Основной характеристикой элементов Д.И.Менделеев считал их атомные массы.

Формулировка Периодического закона: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.

Это было гениальное эмпирическое обобщение фактов. Однако физический смысл периодического закона долго оставался непонятным, т.к. атом считали неделимым.

Современная формулировка Периодического закона:

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

В настоящее время количество фактических данных возросло в тысячи раз!

Однако всю эту необозримую картину современной химии в состоянии объяснить 4 концептуальные системы химических знаний (рис. 1).

Рис. 1

7.3 Проблемы элементарного и молекулярного состава и их решение

При исследовании состава решались 3 главные проблемы:

а) проблема химического элемента;

б) проблема химического соединения;

в) проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

а) химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента;

б) молекула - наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная существовать самостоятельно.

Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет химической связи объединены в частицы - молекулы, комплексы, монокристаллы;

в) металлы и керамика - материалы, на 80% составляют материальную базу условий жизни человечества.

Металлы в производстве обходятся в сотни тысяч раз дороже керамики.

На основе достижений химии возможна замена металлов керамикой с заранее заданными свойствами (пример: 1960 г. - гексанит - Р; tпл. = 3200 градусов С; твердость около твердости алмаза, отсутствует хрупкость).

7.4 Проблемы и решения на уровне структурной химии

«Структурная химия» - понятие условное. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором главную роль играет понятие «структура», а именно - структура молекулы реагента, в т.ч. макромолекулы или монокристаллы.

Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

С возникновением структурной химии появляется инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ.

Теория химического строения А.М.Бутлерова лежит в основе органического синтеза.

Однако органический синтез имел очень низкие выходы продуктов; недостаточно было сведений о молекулах, находящихся в дореакционном состоянии.

Проблема структурной неорганической химии - это, по существу, проблемы химии твердого тела.

1) поиск путей синтеза кристаллов без дефектов кристаллической решетки для получения материалов с высокой механической прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;

2) создание методов получения кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, для получения материалов с заданными свойствами.

7.5 Учение о химических процессах

Методы управления химическими процессами подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют катализаторы.

Каждая химическая реакция при определенных условиях может быть обратима и представляет собой перераспределение химических связей.

Реакции, в которых равновесие смещено в сторону образования продуктов, не требуют особых средств управления. Например, реакции нейтрализации, а также реакции с образованием газов и осадков.

ВаС12 + К2SО4 = ВаSО4 + 2КС1

Однако немало реакций идет со смещением равновесия в сторону исходных реагентов.

Для их протекания требуется особое термодинамическое управление:

N₂ + 3Н₂ 2NН₃

Эта реакция почти 100 лет не могла быть осуществлена, т.к. химики не знали способов управления ею. И только открытие Вант-Гоффа и Ле Шателье позволило добиться успеха.

Было установлено, что синтез NН3 происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия вправо за счет применения высоких давлений.

Термодинамика не оперирует понятием времени. Скоростью химических реакций управляет химическая кинетика. Химическая кинетика определяет зависимость хода реакции от природы исходных веществ, их концентрации, температуры, наличия катализаторов, материала реактора и т.д.

Эти проблемы на современном уровне знаний решает химия.

7.6 Эволюционная химия

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Эти проблемы начали исследовать в 70-е годы прошлого века.

Однако еще основатель органической химии И.Я.Берцелиус установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ.

7.6.1 Пути освоения каталитического опыта живой природы

1) Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы.

2) Моделирование биокатализаторов.

3) Использование достижений химии иммобилизованных систем.

Сущность иммобилизации - закрепление выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие.

4) Изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в т.ч. и формирование фермента, клетки и даже организма.

В эволюционной химии используется понятие «самоорганизация» - восхождение систем на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.

...