Будущее вселенной. Эволюция Вселенной, её различные модели. Сценарий будущего Солнечной системы
Астрономия
Астрофизика., и. радиоастрономия
Марчевский В.А., кандидат физико-математических наук
ВОЗМОЖНЫЙ ВАРИАНТ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Введение
До сих пор рассматривались только два варианта развития Вселенной: открытая и закрытая модели ее. По нашему же мнению вполне имеет право на существование еще одна версия, если конечно подтвердятся экспериментально предположения, высказанные в работе о существовании ощутимого стока энергии в вакуум. Тогда можно считать, что Вселенная не является независимой физической системой, и, следовательно, можно рассмотреть третий вариант. Чем мы и займемся.
1. Условие устойчивого динамического распределения вещества в Метагалактике
Предположим, что Вселенная первоначально расширялась из одного общего центра. При этом наступил такой момент, что силы, вызывавшие это расширение, перестали действовать, дальнейшее движение продолжалось за счёт инерционных сил. Такой момент обязательно должен был наступить, иначе мы не имели бы «закона Хаббла».
Чтобы элемент объема единичной массы на однородной сфере радиуса г мог покинуть ее, сумма его потенциальной и кинетической энергий должна равняться нулю, то есть
4 Р з V2 3прг 4 2
ПрСг, здесь V - скорость элемента объема единичной массы, р - средняя
плотность сферы, G - гравитационная постоянная. Это уравнение можно переписать несколько в другом виде:
V = Нг, Н = 2 (1)
здесь Н - постоянная Хаббла. Назовем такое положение динамическим и устойчивым для элемента.
2. Возможные распределения вещества в Метагалактике
В действительности объекты, находящиеся на произвольно выбранном расстоянии г от центра, в момент прекращения действия сил расширения могли иметь скорости как больше, так и меньше, чем те, которые требовались согласно условию (1).
Объекты, имеющие скорости больше чем (1), переходили на поверхности других, более удаленных от центра сфер до тех пор, пока их скорости не начинали удовлетворять условию (1). За счет того, что более быстрые объекты покидали сферу радиуса Г, средняя плотность ее уменьшалась, и для объектов, имеющих скорости меньше чем (1), также появлялась возможность удовлетворить соотношению (1). Таким образом, по истечении миллиардов лет (если это перераспределение уже закончилось), все объекты должны были распределиться в пространстве согласно соотношению (1).
Необходимо отметить, что наблюдаются в настоящее время объекты, которые могут временно покинуть это устойчивое динамическое распределение, например, взрывающиеся галактики. После взрыва части приобретают добавочные скорости. Для примера рассмотрим
положение, когда одна часть получает дополнительный импульс по направлению от центра Метагалактики, а другая - к центру. Тогда к ним можно применить предыдущие рассуждения и показать, что они займут динамически стабильные места ближе и дальше от центра Метагалактики по отношению к тому положению, которое занимала бы не взорвавшаяся галактика.
Как известно, соотношение (1) можно использовать для всех объектов, скорости которых много меньше скорости света. Во всех остальных случаях нужно учитывать теорию относительности А. Эйнштейна. Мы этого делать не будем. Обратим внимание на то, что из-за ограничения скорости реальных объектов величиной скорости света должна существовать граница Метагалактики.
3. Предполагаемый вариант развития Вселенной
С точки зрения поведения Метагалактики вблизи границы рассмотрим две возможности, одна из которых по нашему мнению может быть реализована:
1. Если скорости объектов внутри Метагалактики и вблизи границы таковы, что их потенциальные и кинетические энергии равны, то вся Метагалактика должна расширяться неограниченно.
2. Если же скорости объектов только вблизи границы меньше указанных выше величин, тогда через какое-то конечное время они должны затормозиться и начать движение вспять к центру Метагалактики, меняя по мере продвижения к центру величину потенциальной энергии той сферы, границу которой они пересекают. Следовательно, они будут увлекать за собой объекты, которые находятся за поверхностью этой сферы. Тогда и должно начаться квазисжатие Метагалактики, не единовременно по всему объему, как предполагается сейчас, а от внешней границы к центру, постепенно заставляя менять направления своего движения все новые и новые объекты. Важно, что центральную точку они будут проходить в разное время.
Хочется обратить внимание на одну возможность, если в начале этого процесса некоторые единичные объекты вблизи границы Метагалактики имели скорости такие, что их кинетическая энергия была больше или равна потенциальной, то они должны были преодолеть эту границу. Такие одиночные объекты могут наблюдаться за ее границей, причем, чем больше времени прошло с момента пересечения ими границы, тем дальше от нее они должны находиться. Наблюдая их, можно оценить и время, когда они пересекли границу, и находимся ли мы на первом цикле расширения Вселенной или нет?
Процесс движения вещества при этом должен иметь периодический характер. Как было показано в работе , современные оценки плотности Вселенной соответствуют закрытой модели, тогда из закона сохранения энергии следует, что объекты, подлетающие к центру Метагалактики и увеличивающие за счет потенциальной энергии свою скорость, соблюдая центральную симметрию, улетят от него. Картина расширения Вселенной повторится, только в течение определенного промежутка времени будет существовать встречное движение объектов: к центру и от центра Метагалактики. И как следствие этого, будет существовать вероятность того, что в результате неупругих столкновений малой части из них уменьшится их кинетическая энергия за счет превращений в другие виды энергии.
Такой колебательный процесс должен происходить периодически, проходя при этом стадию первоначального динамического и равновесного состояния: условие распределения в пространстве вещества согласно (1) в Метагалактике. При этом существует вероятность того, что небольшая часть галактик вблизи границы может приобрести скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть эту границу и покинуть Метагалактику. С течением времени из-за такого процесса и возможности столкновений при встречных движениях предельный радиус периодических колебаний Метагалактики может уменьшиться. Такой сценарий
периодического расширения и квазисжатия Метагалактики вполне реален. Тогда самые интересные результаты можно получить, наблюдая границу Метагалактики.
До сих пор никто не искал границу Метагалактики, ее и не находили. Вполне возможно, что на роль маяков границы вполне подходят наблюдаемые астрономами квазары. В работах обращается внимание на то, что «собственная плотность (квазаров) возрастает с ростом Z много быстрее, чем (1 + Z)3 при 0 < Z <1 , и резко спадает при Z < 2 . «Хочется процитировать еще одну работу : «Е. Ни и ее коллеги из Гавайского университета обнаружили самую далекую из наблюдаемых когда-либо галактик. Галактика НТМ6А видна благодаря усилению ее изображения гравитационной линзой - скоплением галактик Abel 370, находящихся на луче зрения. До сих пор самым далеким из известных объектов был квазар Z = 6,28 . Галактика НТМ6А имеет Z = 6,56, и поэтому видна только в ИК-диапазоне». Если это действительно единичные объекты за границей Метагалактики, то тогда существует большая вероятность того, что мы живем в периодическом мире.
Заключение
Природа экономна, она не всегда выдумывает новые формы а часто использует уже готовые. Так и наша модель Вселенной очень похожа на шаровое скопление. Известно, что они очень устойчивы и живут достаточно долго, следовательно, и наша Вселенная может существовать продолжительный отрезок времени, не проходя фазы сжатия в точку. Этот срок в десятки, а возможно, и в сотни раз больше, чем один цикл от расширения до сжатия в закрытой модели Вселенной.
В настоящее время очень заметна отсталость наблюдательной астрономии в области метагалактических расстояний. Это связано с тем, что до сих пор существует и используется только один единственный метод для оценки этих расстояний, основанный на эффекте Доплера и законе Хаббла. И пока это отставание не будет ликвидировано, теоретические разработки могут уйти достаточно далеко от реальной картины мира.
Список литера туры
1. Марчевский В.А. Имеется ли во Вселенной хотя бы один ощутимый сток энергии в вакуум? Актуальные проблемы современной науки, № 1, 2006.
2. Марчевский В.А. Реально ли ускоренное расширение Вселенной? в этом же номере.
3. Schmidt M., Ар. J., 151, 393, 1968, Ар. J., 162, 371, 1970.
4. Новости физики в сети Internet. УФН, 172, 4, 2002.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .
Пoхожие научные работыпо теме «Науковедение»
- Реально ли ускоренное расширение Вселенной?
МАРЧЕВСКИЙ В.А. - 2006 г.
- Определение физической формы существования Мира и оценка существенных параметров Мира и вакуума
МАРЧЕВСКИЙ В.А. - 2008 г.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сценарии будущего Вселенной
Бумдущее Вселемнной -- вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии. Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной.
После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.
Сценарии дальнейшей эволюции
вселенная разрыв сжатие эволюция
Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи. Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.
Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы, удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления. И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы. Спустя некоторое время, электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов. На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестаёт работать современная физика.
Вышеописанный сценарий -- это сценарий Большого разрыва.
Существует и противоположный сценарий -- Большое сжатие. Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику.
Температура реликтового фона достигнет 274 К и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.
Космологические эпохи
Эпоха звёзд (6<з<14)
Нынешняя эпоха, эпоха активного рождения звёзд, закончится ровно в тот момент, когда галактики исчерпают все запасы межзвёздного газа; в это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды -- красные карлики, -- полностью исчерпав свои источники горения.
Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала оно превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и, вероятно, Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что может быть похожа на нынешнюю планету COROT-7b и представлять собой сгусток лавы на дневной стороне.
Эпоха распада (15<з<39)
Если в предыдущей стадии основные объекты Вселенной -- звёзды, подобные нашему Солнцу, то в эпоху распада -- белые и коричневые карлики, и совсем немного нейтронных звёзд и чёрных дыр. Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Если в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место в коричневых карликах, да и идет оно гораздо медленнее. Ныне главенствуют процессы аннигиляции тёмной материи и распад протонов.
Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления, слились в одну.
Эпоха чёрных дыр (40<з<100)
На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И лишь в некоторых уголках Вселенной продолжают жить нейтронные звёзды. На первый план выходят чёрные дыры.
За предыдущие декады они аккрецировали на себя вещество. В эту эпоху они только излучают. Основных механизмов тут два: столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние высвобождает значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является излучение Грибова-Хокинга: благодаря своей квантовой природе, некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать фотоны света под горизонтом событий, и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов.
Однако возможен и другой сценарий. Чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно. Возможно, под действием гравитации она разогреется до Планковской температуры и достигнет Планковской плотности и станет причиной очередного Большого взрыва, дав начало новой Вселенной.
Эпоха вечной тьмы (з>101)
Это время уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны, позитроны и кварки. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония, долгосрочная судьба их -- полная аннигиляция.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Происхождение Вселенной - гипотезы и модели; космологические теории Большого взрыва и горячей Вселенной. Образование Солнечной системы. Биологическая, экологическая, социально-экономическая и культурно-историческая эволюции; возникновение жизни на Земле.
контрольная работа , добавлен 24.09.2011
Сущность понятия "Вселенная". Изучение истории развития крупномасштабной структуры Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной. Теория большого взрыва (модель горячей Вселенной). Причина расширения в рамках ОТО. Теория эволюции крупномасштабных структур.
контрольная работа , добавлен 20.03.2011
История эволюции вселенной и первые мгновения ее жизни. Теория "Большого взрыва", анализ попыток создания математической модели Вселенной. Что такое звезды, галактики и млечный путь. Строение солнечной системы, характеристика ее планет и их спутников.
реферат , добавлен 09.11.2010
История развития представлений о Вселенной. Космологические модели происхождения Вселенной. Гелиоцентрическая система Николая Коперника. Рождение современной космологии. Модели Большого взрыва и "горячей Вселенной". Принцип неопределенности Гейзенберга.
реферат , добавлен 23.12.2014
Главное звено в эволюции Вселенной - жизнь, разум. Самоорганизация пространства-времени в процессе эволюции Вселенной. Случайность в научной картине Вселенной. Философско-мирровоззренческие проблемы космологической эволюции.
реферат , добавлен 24.04.2007
Модель Большого Взрыва как модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется, ее преимущества и недостатки. Расширяющаяся Вселенная, теории рождения и гибели, их сторонники.
курсовая работа , добавлен 27.11.2010
Характеристика наиболее известных моделей Вселенной: модель де-Ситтера, Леметра, Милна, Фридмана, Эйнштейна-де Ситтера. Космологическая модель Канта. Теория Большого взрыва. Календарь Вселенной: основные эры в развитии Вселенной и их характеристика.
презентация , добавлен 17.11.2011
Предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной на протяжении всех этапов ее эволюции. Вопрос о происхождении химических элементов. Большие проблемы Большого взрыва. Попытки решения проблемы сингулярности. Квантовая физика и реальность.
реферат , добавлен 11.01.2013
Изучение пироцентрической, геоцентрической и гелиоцентрической моделей Вселенной. Современные исследования космологических моделей. Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной. Измерения гравитационного поля в скоплениях галактик.
курсовая работа , добавлен 03.06.2014
Происхождение и эволюция Вселенной, ее дальнейшие перспективы. Креативная роль физического вакуума. Парадоксы стационарной Вселенной. Основные положения теории относительности Эйнштейна. Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность данного сценария.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Институт образовательных информационных технологий
Факультет дистанционного образования
Реферат
на тему: Эволюция Вселенной, её различные модели
по дисциплине: Концепции современного естествознания
Екатеринбург
Введение
Что есть Вселенная, Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания? Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.
Проблема возникновения Вселенной занимала людей еще до появления современной науки. В основе интереса лежит - желание дойти до первопричины всего сущего. В библии, например, указана даже точная дата сотворения мира - 5 тысяч лет до нашей эры. Историческое обоснование этой даты может быть в том, что она примерно соответствует последнему ледниковому периоду - 10 тысяч лет до нашей эры. В 5 веке нашей эры автор «Христианской науки» Блаженный Августин указывал, что до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла, что удивительным образом совпадает с представлениями современной науки. Августин писал, что Бог создал и Вселенную, и время, поэтому до рождения Вселенной времени не было. Почему же тогда Вселенная возникла в какой - то определенный момент времени? Древние греки: Платон, Аристотель считали, что мир неизменен и существует вечно, но лишь иногда в нем случаются катастрофы, которые отбрасывают человечество назад.
Целью данной работы является анализ различных моделей существования и эволюции Вселенной, в том числе и сценариев развития Солнечной системы, чьей составной частью является наша планета Земля.
Глава 1. Состав Вселенной и её размеры
Видимая часть Вселенной состоит из сотен миллиардов галактик, и в каждой галактике десятки миллиардов звезд. На каждого обитателя Земли приходится по миллиарду звезд, что значительно расширяет возможности маленького принца Экзюпери, который скромно довольствовался всего одной планетой. Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Но это лишь видимая часть Вселенной.
Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Млечный путь. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Солнечная система не находится в центре Галактики. В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид (крупные скопления звезд).
Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.
Науке известна природа лишь 5 % вещества, из которого состоит Вселенная. Эти 5 % (4 %обычная материя - планеты, туманности и т.п., 1 % звезды и галактики) мы видим вокруг и сами из него сделаны. Остальное - великая тайна, а именно 70 % тёмная энергия (недавно открытая форма антигравитации), а 25 % тёмная материя (невидимые частицы с неизвестными свойствами) и5 % видимое вещество (см. рис 1).
Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.
Глава 2. Модели эволюции Вселенной
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, тем или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика - мир атомов и элементарных частиц, биология - явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология. Космология - учение о Вселенной в целом.
С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Построение различных моделей относится к одному из важных путей познания объективно существующего мира. Объекты, явления и процессы, происходящие во Вселенной, очень сложны. Моделирование позволяет выделить наиболее существенные, характерные черты этих процессов.
С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 - 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г.
Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям - в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879 - 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.
Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной - нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А. Фридманом (1888 - 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Два последних варианта активно рассматривались астрофизиками, причем в 80 - годы в них было включено невообразимо быстрое расширение Вселенной (инфляция), происшедшее в первые мгновения Большого взрыва.
Теория Александра Фридмана, в отличие от Эйнштейна, считавшего Вселенную стабильной и неизменной, наиболее полно описывает модель её возникновения и развития. Взгляды Фридмана заложили основу для дальнейшего изучения процессов, происходящих во Вселенной.
Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А. Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А. Гамова образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».
Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространённости тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.
Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.
«Морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин еще до открытия ускоренного расширения Вселенной - в 1997 году (модель строится на базе стандартной модели). Согласно их модели, история нашей Вселенной насчитывает четыре эры:
Звездная эра (началась через сотни миллионов лет после Большого взрыва, во Вселенной стали возникать первые звезды и началась интенсивная генерация энергии за счет ядерного синтеза в звездных недрах. Эти процессы продолжаются и сейчас. Ученые вычислили, когда Вселенной исполнится 1014 лет в космическом пространстве не останется свободного водорода, и звезды закончат свое существование).
Эра вырождения охватывает промежуток 1015 - 1037 лет, от сверкающих светил остались нейтронные звезды и белые карлики, копятся черные дыры, которые усиленно растут, произойдет распад ядерного вещества, протоны будут распадаться на позитроны, фотоны, нейтрино и в итоге обычное вещество в составе планет и белых карликов начнет превращаться в излучение.
Эра черных дыр приходится на промежуток времени 1038 - 10100. В это время исчезнут все протоны и нейтроны (барионы) и единственными макрообъектами во Вселенной останутся черные дыры и они вскоре испарятся в излучение и исчезнут во взрывах.
Темная эра наступит когда возраст мироздания превысит 10100 лет. Из материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти 0 температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны).
Модель «раздувающейся Вселенной» была предложена в 2003 году Р. Калдвеллом, М. Камионковски и Вейнбергом. Расширение Вселенной не дает объяснений в моделях «горячей Вселенной». Возрастающее увеличение темной энергии (вакуум) приведет к вселенскому антиколлапсу. Скорость расширения пространства возрастет до такой степени, что разорвет галактики, т.е. здесь решающее значение приобрела антигравитация, удаление всех пунктов одновременно. Распадутся планетные системы, планеты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и планеты. Химические соединения распадаются на атомы, но и атомы теряют стабильность, ядра не могут удерживать электроны. Но все это в далеком будущем.
Существует модель, согласно которой финал гибели Вселенной может произойти и завтра. Впервые он был предложен московским физиком М.Б. Волошиным, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году. В данной теории учитывается особенность вакуума. В нем отсутствуют реальные частицы, однако постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. В любой момент может произойти туннелирование вакуума из одного состояния в другое, и останется в итоге пространство - время и материя с совершенно иными свойствами (или ничего).
Энергия вакуума учитывается в теории инфляционного расширения новорожденной Вселенной.
Инфляционная модель Вселенной - гипотеза <#"justify">Сценарий №4 Гигантское Солнце
В конце своего развития огромное красное Солнце поглотит Землю, которая превратиться в выжженную пустыню.
Когда-то Солнце выглядело совсем иначе, чем сегодня. Спустя миллиарды лет оно вновь изменит свой облик. Однако эти изменения незаметны в масштабах человеческого времени. Тем не менее, у Солнца есть свой собственный жизненный цикл - образование из облака межзвездного вещества, затем период более или менее спокойного существования, а потом неминуемая смерть.
Через пять миллиардов лет Солнце израсходует весь водород, перейдет на гелий и станет больше сегодняшнего на 75 процентов.
Пройдут еще несколько миллиардов лет, и новое Солнце поглотит Меркурий и Венеру - планеты, ближе всего расположенные к центру Солнечной системы. А Земля, плавающая в раскаленной атмосфере Солнца, сойдет со своей орбиты и в конце концов по спирали погрузится в горнило огромной звезды. Возможно, что Марсу повезет, и примерно на миллиард лет там установится климат, пригодный для зарождения жизни или для ее восстановления, если верно, что она там уже существовала несколько миллиардов лет назад.
Сценарий №5 Конец всей солнечной системы
Обледеневшие планеты Солнечной системы будут летать во мраке вокруг белого карлика-Солнца.
Ужасное расширение, которое произойдет с Солнцем в стадии красного гиганта, опустит занавес на сцене земной жизни. Но это не станет последним актом его существования. В таком состоянии Солнце будет находиться еще миллиард лет. Оно станет питаться гелием, а затем начнет сжигать другие - все более тяжелые - элементы, расположенные на большей глубине, в ядре светила, пожирая слой за слоем, уменьшаясь, как луковица. Когда очередь дойдет до железа, процесс термоядерного синтеза с выделением энергии остановиться. Впрочем, превращение элементов в недрах звезды будет продолжаться, и довольно активно, но теперь уже оно будет происходить с поглощением энергии.
Во время этих последовательных термоядерных реакций будут возникать периоды нестабильности Солнца, во время которых его светимость будет меняться, придавая ему вид переменной звезды типа пульсирующих звезд - цефеид. В финальном периоде смена фаз будет ускоряться, каждая последующая будет короче предыдущей. И все же, в отличие от звезд с большей массой, Солнце не закончит жизнь мгновенно, то есть путем взрыва. Самые верхние слои «отшелушатся» в космос, образовав там планетарную туманность.
В центре солнечной планетарной туманности останется холодное ядро из водорода, гелия, углерода, кислорода и других - более тяжелых - элементов. Его объем будет, сравним с объемом Земли, а плотность в миллионы раз превысит плотность воды (иными словами, масса кубического сантиметра такого вещества будет измеряться тоннами!)
Остывая миллиарды лет, оно охладится до температуры 4000 Кельвинов, и в его веществе начнется процесс кристаллизации.
Вокруг маленького белого Солнца будут вращаться реликты уцелевших планет, скорее всего, это будут Марс, Юпитер и Сатурн, холодные кольца которого испаряться во время фазы красного гиганта. И наступит вечная ночь, во время которой будет так же темно, как сегодня на Земле в полнолуние, а Солнце будет выглядеть ненамного ярче других звезд.
Сценарий №6 Конец млечного пути в черной дыре
Черная дыра, находящаяся в центре Галактики поглотит в свою воронку все звезды Млечного Пути.
Если наблюдать за Млечным Путем и другими далекими галактиками, сразу броситься в глаза очевидная разница: в нашей звездной системе царит относительное спокойствие, тогда как многие другие галактики живут в непрерывной активности.
Выбросы газов, области высокой интенсивности формирования звезд, мощные потоки радиоволн, рентгеновских и гамма лучей, высвобождение огромного количества энергии - все это придает галактикам вид близких звезд, тогда как на самом деле они находятся от нас на расстоянии миллиардов световых лет.
Одна из гипотез объясняет неистовую активность этих звездных систем находящимися в их центрах гигантскими черными дырами, масса которых составляет десятки миллионов солнечных масс.
Существование подобного космического мега пылесоса, который невозможно увидеть непосредственно, подтверждают наблюдаемые астрономами вихревые явления и высочайшие перепады температур, возникающие в ходе всасывания вещества в черную дыру и сопровождающиеся выбросами энергии и газа.
Астрофизики, наблюдая центр нашей Вселенной в различных диапазонах радиоволн, инфракрасного и рентгеновского излучения, а также гамма лучей и собрав массу данных, предложили, что в центре Млечного Пути существует черная дыра.
Ученые предположили, что в центре Млечного Пути существует повышенная концентрация вещества, масса которой превышает солнечную примерно в два миллиона раз, но количество света, доходящего оттуда до нас, непропорционально мало. Кстати, именно по этой причине некоторые ученые сомневаются, что в центре Млечного Пути действительно расположилась огромная черная дыра. Но, с другой стороны, столь громоздкие образования, ведущие себя относительно спокойно, найдены не только в нашей, но и в других внешне нормальных галактиках, например, в туманности Андромеды и ее спутнике M32, недавно изученных с помощью космического телескопа «Хаббл».
Возможно, черная дыра образовалась в результате столкновения с другими галактиками в те далекие времена, когда Вселенная имела еще маленькие размеры. Но что произойдет при встрече ее с другими галактиками, если она когда-нибудь пробудиться от сна? Ответ неутешителен: черная дыра втянет в себя всю нашу Галактику.
В этом случае Млечный Путь ожидает незавидная судьба - сначала он превратиться в водоворот звезд и газа, а затем - в мизерную по размеру область с бесконечно большой плотностью.
Заключение
Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас, и будут происходить в будущем. Мир становится все сложнее, усложняются и появляются новые теории. И наука не стоит на месте, появляются новые взгляды, гипотезы, учения, поскольку «природа не раскрывает свои тайны раз и навсегда» (Л.А. Сенека).
Если нашей Вселенной грозит смерть, то, может быть появится возможность в будущем перелететь до другой Вселенной. Из общей теории относительности следует возможность существования пространственно-временных тоннелей и перехода в другие Вселенные.
Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной? Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.
Список использованной литературы
1.Воронцов - Вельяминов Б.А. Очерки о Вселенной. М.,1980. - 672 с.
2.Ксанфомалити Л. Темная Вселенная // Наука и жизнь 2005№5. 58-69 с.
.Левин А. Судьбы мироздания // Популярная механика 2006 №9 40-46 с.
.Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. М.: Просвещение., 1993г. 159 с.
.Перель Ю.Г. Развитие представлений о Вселенной М.,1958. 352 с.
.Сурдин В.Г. Дарвин и эволюция Вселенной //Экология и жизнь 2009 №3 4-10 с.
.Шкловский П.С. Вселенная, жизнь, разум М.: Наука 1987. - 320с.
9.
.
.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Итак, в настоящий момент Вселенная расширяется, ее вещество разлетается, наиболее далекие объекты, видимые в крупнейшие телескопы, удаляются от нас со скоростями, превышающими три четверти скорости света. Процесс расширения и рассеяния первоначальной огромной тепловой энергии привел к структурированию материи. Сейчас эволюция материи идет в направлении все большего местного усложнения диссипативных структур. По крайней мере в одной точке Вселенной - на нашей планете - появилась жизнь, которая продолжает усложняться. Усложняются как организмы так и биоценозы, разумная жизнь строит все усложняющиеся искусственные системы. Возможно, существуют и другие такие «точки роста» сложности, можно предположить появление каких-то связей между ними. Возникает вопрос: до чего же этот процесс может дойти? Что ожидает нас и всю нашу Вселенную вообще где-то в бесконечно отдаленном будущем?
Для Вселенной возможны два варианта, выбор между которыми зависит от средней плотности вещества в ней. Если плотность вещества меньше некоторой критической величины, Вселенная будет расширяться бесконечно. Если больше - силы гравитации смогут остановить разлет небесных тел и расширение сменится сжатием. Критическую плотность можно оценить, зная гравитационную постоянную G и постоянную Хаббла H:
r крит =3H 2 /8pG ~ 10 -32 кг/м 3
Какова действительная плотность вещества во Вселенной, точнее, больше или меньше она критической, неизвестно. Если учитывать только видимое, светящееся вещество, плотность оказывается значительно (в 30 раз) меньше критической. Однако, многие факты указывают на существование намного большей невидимой, «скрытой» массы. Сейчас считается, что средняя плотность Вселенной скорее всего все же немного меньше критической, но полной уверенности в этом нет. Не исключено, что она в точности равна критической и это не случайное совпадение. Так что имеет смысл рассмотреть оба варианта развития.
Рассмотрим сначала первый - «открытую», бесконечно расширяющуюся Вселенную.
Непрерывное расширение сопровождается рассеянием энергии. Локальные «резервуары» концентрированной энергии - звезды - расходуют свое ядерное горючее, сбрасывают и рассеивают в конце жизни часть своей массы и превращаются в мертвые, медленно остывающие остатки либо (при достаточной массе) в «черные дыры». Из сброшенного газа могут возникать звезды следующего поколения, но их становится все меньше и меньше, пока этот процесс не прекращается совсем. Полное угасание всех звезд должно завершиться примерно через 10 14 (сто триллионов) лет. Останутся мертвые остывшие звезды и черные дыры, образующие галактики, а также планеты, небольшое количество очень рассеянного газа и пыли и непрерывно теряющее энергию излучение.
На следующем этапе должна произойти потеря звездами своих планетных систем и потеря галактиками звезд. И то и другое будет результатом тесных сближений звезд, когда гравитационное взаимодействие приводит к обмену импульсом, так что отдельные объекты выбрасываются из связанной системы. При этом планеты будут оторваны от своих звезд, большая часть звезд (примерно 90%) будет выброшена, «испарится», из галактик, а оставшиеся, потеряв импульс, соберутся в массивную черную дыру. Этот процесс идет и сейчас, но очень медленно. Зкончиться он должен через 10 18 лет. К этому времени не будет галактик, останутся лишь равномерно рассеянные погасшие звезды и черные дыры.
Последние этапы эволюции связаны с квантовыми эффектами и следствиями еще во многом гипотетических представлений, вытекающих из теорий объединения фундаментальных взаимодействий. Теория «великого объединения» - объединения сильных и электрослабых взаимодействий - предсказывает конечное времени жизни протона, равное 10 30 -10 32 лет. Если это так, то через промежуток времени такого порядка протоны распадутся и все вещество звезд превратится в электроны, позитроны и нейтрино.
Останутся еще массивные черные дыры. Но оказалось, что и они не вечны. Черные дыры способны «испаряться» благодаря квантовым эффектам. В соответствии с принципом неопределенности вблизи «горизонта» на границе черной дыры возможно возникновение пар частиц, одна из которых остается под горизонтом, а вторая излучается, унося массу и энергию от черной дыры. Этот процесс для массивных черных дыр очень медленный (тем медленнее, чем больше масса дыры) и завершение его требует времени порядка 10 100 лет. После этого кроме невероятно разреженных электронов, позитронов, нейтрино и фотонов не останется ничего.
Что же будет, если средняя плотность превышает критическую? В этом случае расширение сменится сжатием. Как оно будет происходить зависит от того как долго перед этим будет продолжаться расширение. Если плотность лишь ненамного больше критической в процессе расширения (а реально, если она все-таки больше, то только ненамного), то к моменту начала сжатия Вселенная будет состоять лишь из мертвых звезд, черных дыр, нейтрино и фотонов. При сжатии энергия фотонов будет возрастать (благодаря «фиолетовому смещению») причем возрастать в большей степени, чем она убывала при расширении. Фотоны разогреют и испарят мертвые звезды. При увеличении плотности все рассеянное вещество будет поглощаться черными дырами, а в конце все черные дыры сольются в одну гигантскую. При этом не только все вещество сольется и коллапсирует, но само пространство свернется. Может ли такая коллапсирующая масса перейти в сингулярность с бесконечной плотностью и как бы она могла это сделать - неизвестно, современная наука описать это не может. Правда не исключено, что, прежде чем плотность станет бесконечно большой, какой-нибудь неизвестный нам пока механизм может привести к так называемому «отскоку» Вселенной, и снова начнется процесс ее расширения.
Возможность «отскока» рассматривалась и описывалась теоретиками. Здесь вероятна цикличность, когда циклы расширения и сжатия чередуются. При этом каждый следующий цикл оказывается примерно вдвое продолжительнее предыдущего. Таким образом продолжительность стадии расширения может стать такой большой, что захватит и этап распада протона. Тогда новое сжатие начнется в состоянии, когда отсутствуют адроны, а энергия определяется фотонами, образовавшимися при распаде протонов. В этом случае продолжительность следующего цикла уже не удвоится, а удлиннится по крайней мере в 1000 раз. В конце концов очередной цикл практически не будет отличаться от бесконечного расширения. Вообще теоретический анализ такой пульсирующей Вселенной приводит ко многим весьма интересным следствиям, но следует помнить, что сам «отскок» остается гипотезой.
Посмотрим теперь как во все эти сценарии эволюции Вселенной вписывается эволюция структур и, прежде всего, жизни. Динамический диссипативный характер структур требует для их существования потока рассеяния энергии и вещества и соответствующих градиентов концентрации. В начале расширения концентрация энергии и вещества очень высока, а градиенты малы, что препятствует образованию сложных структур. Уменьшение концентраций и усиление неоднородностей в распределении этих концентраций приводит к возникновению все более сложных структур - это мы видим вокруг себя сейчас. Однако, дальнейшее рассеяние вещества и энергии должно привести к уменьшению градиентов и интенсивности потоков энергии, которые окажутся недостаточными для обеспечения существования сложных структур, таких как жизнь. Очевидно, что в развитии расширяющейся Вселенной должен существовать некий пик структурной сложности , после которого она пойдет на убыль. Добралась ли наша Вселенная до такого пика, или максимум еще впереди? Точно сказать нельзя, но во всяком случае мы где-то в районе максимума, который должен быть очень пологим, растянутым на десятки миллиардов лет.
Надо сказать, что если наша Вселенная не «открытая» и расширение когда-то сменится сжатием, в развитии ее структурированности ничего не изменится. На стадии расширения точно так же будет пик максимальной сложности структур и затем упрощение. На стадии сжатия нового усложнения структуры уже не будет - цикл несимметричен. Для возникновения структур необходима диссипация.
Посмотрим теперь как может выглядеть наша собственная судьба, связанная с нашей маленькой планетой. Увеличение численности людей, разрастание искусственной среды обитания уже подошло к своему пределу. Необходима стабилизация как численности населения так и уровня потребления всевозможных первичных ресурсов. Причем для многих видов ресурсов необходима не стабилизация а резкое сокращение потребления. Например запасов руд металлов цинка, олова, ртути и свинца при нынешнем потреблении хватит лишь примерно лишь на 20 лет. Других - больше, но все так называемые невозобновимые ресурсы должны истощиться.
Это, вообще говоря, не очень страшно. Название «невозобновимые» условно. Любое вещество как-то измененное или рассеянное может быть снова сконцентрировано, очищено и вовлечено в оборот, только по мере истощения богатых природных концентратов - руд - это будет требовать все больше затрат энергии . Затраты энергии связаны с ее рассеянием, диссипацией. Это все тот же общий закон: возникновение и существование стабильных структур требует увеличения рассеяния энергии, понижения ее качества - производства избыточной энтропии. Необходимый поток энергии нам обеспечивает Солнце. Следовательно возможность усложнения структуры среды обитания человека, в принципе, ограничена величиной потока энергии от Солнца. И само существование этой структуры возможно лишь пока светит Солнце.
Солнце будет светить долго, но не вечно. Оно должно погаснуть, предварительно раздувшись и без взрыва или со взрывом сбросив значительную часть вещества. Если предположить, что человечество не исчезнет раньше и достигнет огромной технологической мощи, можно допустить, что оно сможет заблаговременно вместе со своей планетой (или без нее) перебраться к другой подходящей звезде, и так далее. Однако, каждое угасание звезды оставляет мертвый остаток, который исключается из дальнейших преобразований. Количество газа, из которого могут образовываться новые звезды, быстро уменьшается, и в конце-концов звезды погаснут все. Очень развитое человечество сможет держаться и тут еще очень долго, экономно сжигая в термоядерной топке запасы водорода больших планет, но в конце-концов и разумная жизнь и вся накопленная в созданных структурах информация исчезнет вместе с нашей Вселенной.
К такому выводу приводит современный уровень знаний. Что будет «потом»? «Потом» не будет, ибо вместе с нашей Вселенной умрет и наше время и наше пространство. Но современная наука говорит о том, что наша Вселенная не может быть единственной. Флуктуации чего-то первичного могут порождать бесконечное множество других вселенных, возможно с другой размерностью и вообще с другими свойствами, в которых тоже развитие может привести к самопознанию.
Мы пришли к выводу, что все реальное и конкретное вокруг нас конечно во времени и пространстве так же как конечна жизнь человека. Бесконечность отодвинулась в область принципиально недостижимого. Сейчас мы можем допустить существование множества миров, возможно и бесконечного множества, возникающих и вырастающих из флуктуаций в некоторой первичной сущности как пузыри в пенящейся жидкости. Эти миры независимы и неспособны обмениваться информацмей. Мы способны познать наш мир, который имеет свою специфическую метрику и пространственно-временную структуру. Он, очевидно, имеет «начало» и «конец». Мы ставим эти слова в кавычки, так как в «начале», по крайней мере, само понятие времени еще не существовало. С того момента, как появилось время в качестве характеристики нашего мира, он развивается от рождения к смерти как от начального бесструктурного состояния к конечному также бесструктурному через очень продолжительный этап «зрелости», характеризующийся возникновением очень сложной структуры. Сейчас идет процесс непрерывного усложнения структуры Вселенной, который, повидимому будет продолжаться еще много миллиардов лет.
Вопросы к главам 5 и 6.
1. Что мы знаем о проблеме возникновения жизни?
2. Как связана эволюция организмов, видов и биосферы?
3. Причина и механизм эволюции жизни по Дарвину. Трудности дарвиновской теории.
4. Как в настоящее время “подправлена” дарвиновсая теория?
5. Особенности биосферы как системы. Чем обеспечивается ее устойчивость?
6. Связь эволюции жизни с общей эвлюцией нашей Вселенной. Единство общих механизмов.
7. Особенности эволюции человека как биологического вида и эволюции биосферы после появления человека.
8. Каковы основные неблагоприятные результаты воздействия человека на биосферу?
9. Чем опасно создание искусственной благоприятной для жизни человека среды – интенсивное сельское хозяйство, культурные парки, “безотходная” промышленность с замкнутыми циклами, - к чему сремятся густонаселенные “развитые” страны?
10. Какие возможны варианты выхода из глобального экологического кризиса?
11. Есть ли жизнь на других планетах Солнечной Системы?
12. Есть ли жизнь в других частях Вселенной?
13. Какова дальнейшая судбба нашей Вселенной?
14. Какой может быть дальнейшая судьба человечества?
Общее заключение
Мы нарисовали современную научную картину мира и показали в самом общем виде каким образом она строилась человеком. Представление о мире в целом, как об упорядоченной системе и понимание своего места в ней необходимо человеку для его существования. Человек начал упорядочивать окружающий мир как только осознал себя, создавая систему мифов. Позже основой системы мира стала наука.
Наука - сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Потребность в таких систематических знаниях, в упорядочении окружающего мира заложена в самой природе человека.
Две стороны науки - добывание фактов, характеризующих окружающий мир и их систематизация - связаны неразрывно. Получение новых объективных научных данных при отсутствии какой-либо исходной теоретической концепции так же невозможно, как и построение чисто умозрительной теории. С первого взгляда представляется, что научная деятельность должна начинаться с «непредвзятого» накопления фактов, но присмотревшись внимательнее нетрудно заметить, что это практически неосуществимо. Ответ на вопрос: «с чего следует начинать?» столь же труден, как ответ на вопрос: «что было раньше: курица или яйцо?».
Наука отвечает на вопрос: «как устроен мир?». Работа науки заключается в поисках связей между фактами, в обнаружении закономерностей , которые позволяют предсказывать новые факты. При этом наука опирается на определенные фундаментальные концепции, которые в известной мере находятся за пределами собственно науки и играют примерно такую же роль как основные постулаты в геометрии. Это концепции объективного существования, единства и простоты мира.
Знание закономерностей позволяет объяснять и предсказывать новые факты посредством логических умозаключений , однако логическая экстраполяция закономерности за пределы той области, в которой она была установлена эмпирически, рано или поздно приводит к противоречиям с существующими фактами. Новые факты не всегда удается вообще логически увязать со старыми путем простого эмпирического обобщения в рамках существующего общего взгляда на мир. В этом случае движение вперед возможно только с помощью радикального пересмотра основных положений, включения новых идей, рождающихся интуитивно, на основе подсознательной обработки всего предшествовавшего опыта.
Конкретным продуктом науки является последовательность теоретических моделей природных процессов и явлений. Модель всегда приближенно отражает явление, так как исчерпывающе полное знание об объекте не достижимо за конечный промежуток времени. Но, несмотря на это, возможно построение адекватных, то есть правильно описывающих все важные для нас стороны явления,моделей, что вытекает из фундаментальных концепций.
В построении картины окружающего мира участвуют более конкретные концепции, главные из которых это концепции стационарности и нестационарности , элемента, континуальная икорпускулярная, пространства, времени, взаимодействия.
Пространство и время согласно современным представлениям образуют единый пространственно-временной континуум, свойствакоторого неразравно связаны со свойствами материи . В то же время для описания устройства и эволюции множества структур нашего мира обычно достаточно рассматривать материю, распределенную в независящим от нее пространстве, и изменяющуюся в независимо текущем времени.
Сейчас можно считать доказанным, что наш мир нестационарен , однако, при описании большого количества процессов и явлений успешно используется концепция стационарности, поцессы и явления описываются в рамках стационарной модели .
Концепции континуальная икорпускулярная стали выглядеть по-новому после появления квантовой механики. Основная идея квантовой механики - пространственно-временная дискретность всех свойств материи. Но в то же время принцип неопределенности, принципиально вероятностный характер квантовых процессов размазывает эту дискретность в соответствии с непрерывным распределением плотности вероятности проявления того или иного свойства.
Основные свойства объектов макромира могут быть выведены из свойств элементарных частиц и их взаимодействий на основе корпускулярной концепции, но успешно описываются и анализируются с помощью континуальной концепции при использовании усредненных характеристик.
Связи , возникающие в результате взаимодействий , приводят к возникновению структур. Закономерное, упорядоченное расположение элементов и тел в пространстве мы называем пространственной структурой, упорядоченный процесс изменения пространственной структуры во времени может быть назван временной структурой. В едином пространстве-времени наш мир образует пространственно-временную структуру.
Хотя в основе всех сложных взаимодействий лежат лишь четыре фундаментальных , используя только законы этих фундаментальных взаимодействий, невозможно объяснить образование всех наблюдаемых структур. В больших, многочастичных системах возникают коллективные эффекты, приводящие к качественно новым явлениям. Изучением больших систем с помощью их обобщенных характеристик занимается термодинамика. Изучение коллективных эффектов и механизма образования макроструктур - предмет синергетики.
Основными понятиями термодинамики являются энергия и энтропия. Энергия определяется как фундаментальное, сохраняющееся во всех процессах свойство материи, количественно измеряемое величиной механической работы, в которую она при определенных условиях может быть превращена. Энтропию можно определить как меру качества энергии, содержащейся в системе, или меру ее реальной способности произвести работу без привлечения внешних воздействий или меру вероятности состояния системы (степени ее неупорядоченности).
Через эти понятия формулируются два основных закона или начала термодинамики - закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии . Второй из них гласит, что в изолированной системе могут протекать только процессы, связанные с увеличением ее энтропии.
Наша Вселенная в целом представляет собой изолированную систему и поэтому энтропия ее должна возрастать, что мы и наблюдаем. Возрастание энтропии означает возрастание беспорядка, сглаживание всех неоднородностей, градиентов, понижение качества энергии, исчезновение структур. Однако, реально мы видим, что Вселенная глубоко структурирована, а непосредственно вокруг нас эволюция идет в сторону повышения сложности. Такова эволюция географической оболочки Земли и биосферы.
Причина этого в том, что расширение Вселенной порождает направленный поток диссипации, котрый приводит к катастрофическому росту отдельных флуктуаций и возникновению диссипативных структур. Возникающие структуры связаны с избыточным производством энтропии, хотя локально и наблюдается ее уменьшение. Диссипативные структуры представляют собой динамические системы, далекие от равновесия, существующие благодаря непрерывному обмену энергией и веществом с окружающей средой. На определенных этапах они могут переходить в метастабильные или кавзиравновесные системы.
С понятием структура тесно связано понятие устойчивость , которое означает сохранение всех основных качественных характеристик системы при любых изменениях управляющих параметров в пределах некоторого конечного диапазона.Без устойчивости потеряло бы смысл само понятие структура.
Эволюция структур происходит через потерю устойчивости путем скачкообразного перехода в новое устойчивое состояние, к новой структуре. Скачки при эволюции означают дискретность во времени - неминуемое следствие самого наличия структур - дискретности в пространстве. Можно сказать и наоборот, что дискретность в пространстве есть следствие дискретности во времени. пространственно-временная структурированность – это общее свойство нашего мира.
Эволюция сейчас идет в сторону повышения сложности структур, но более сложные структуры охватывают все меньшую часть материи. Простейшие макроструктуры - первоначальные гравитационные неоднородности – охватывали все вещество; объединенные в галактики звезды главной последовательности включают лишь какие-то проценты всей массы Вселенной; возникшие вместе со звездами второго поколения планеты земной группы составляют лишь малую долю процента от массы звезд; и, наконец, наиболее сложная структура – жизнь – составляет лишь тонкую пленку на поверхности, ничтожную долю процента от массы некоторых планет земной группы. А может быть и не "некоторых", а всего одной, хотя это кажется маловероятным, противоречащим концепции единства мира. Но доказательств обратного – более широкой распространенности жизни во Вселенной – пока нет.
Последний структурный скачок усложнения связан с появлением разумной жизни, осознавшей себя и начавшей переделывать остальную биосферу, превращая ее в ноосферу. Этот скачок еще не завершился. Какой будет ноосфера и возникнет ли такая устойчивая структура вообще пока неизвестно. Главная проблема стоящая перед человеком – это не погибнуть в результате потери устойчивости биосферы и ее разрушения из-за его деятельности прежде чем возникнет новая устойчивая структура.
Загрузка...
