Донаучное рассмотрение Вселенной

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ЧитГУ)

ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Контрольная работа

по дисциплине: «Концепция современного естествознания»

                                                                                    Выполнил: ст. гр. ЮП – 10

                                                                                                            Аникьева С.Г

                                                                                  Проверил: Толстухина Н.В.

Чита 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1. Донаучное рассмотрение Вселенной………………..………………....4

2. Основные концепции космологии……………..………………………7

3. Модель Большого Взрыва…………………….……………………….10

4. Реликтовое излучение………………………………..………………...12

5. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва………...…..13

6. Модель раздувающейся Вселенной…………………………..……….15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………18

ВВЕДЕНИЕ

На всем протяжении своего существования Человек изучает окружающий его мир. Будучи мыслящим существом, Человек, как в отдаленном прошлом, так и сейчас, не мог и не может ограничиваться тем, что ему непосредственно дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда стремился и будет стремиться выйти за ее пределы.

Характерно то, что познание окружающего мира человеком началось с космогонических размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о "начале всех начал". История не знает ни одного народа, который рано или поздно в той или иной форме не задался этим вопросом и не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного развития данного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический прогресс позволили продвинуться в разрешении вопроса о возникновении Вселенной от мифологического мышления к построению научных теорий.

Проблема "начала мира" - одна из тех немногих мировоззренческих проблем, которые проходят через всю интеллектуальную историю человечества. Появившись однажды на белый свет, идея "начала мира" с тех пор всегда занимала мысли ученых, и время от времени в том или ином обличии вновь и вновь всплывает на поверхность. Так, казалось бы, навсегда похороненная во времена средневековья, она нежданно-негаданно появилась на горизонте научной мысли второй половины ХХ столетия и стала всерьез обсуждаться на страницах специальных журналов и на заседаниях проблемных симпозиумов

.За истекшее столетие наука о Вселенной добралась до самых верхних этажей структурной организации материи - галактик, их скоплений и сверхскоплений. Современная космология активно взялась за проблему происхождения (формирования) этих космических образований. Как же представляли себе образование Вселенной наши далекие предки? Как объясняет происхождение Вселенной современная наука? Поэтому данная контрольная посвящена вопросам связанным с возникновением Вселенной.

1. ДОНАУЧНОЕ РАССМОТРЕНИЕ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

У древних народов происхождение Вселенной наделялось мифологической формой, сущность которой сводится к одному - некое божество создало весь окружающий Человека мир. В соответствии с древнеиранской мифопоэтической космогонией Вселенная является результатом деятельности двух равносильных и взаимосвязанных творящих начал - бога Добра - Ахурамазды и бога Зла - Ахримана. Согласно одному из ее текстов, прасуществом, разделение которого привело к образованию частей видимой Вселенной, был изначально существующий Космос. Мифологическая форма происхождения Вселенной присуща всем существующим религиям.

Многие выдающиеся мыслители далеких от нас исторических эпох пытались объяснить происхождение, строение и существование Вселенной. Заслуживают особого уважения их попытки при отсутствии современных технических средств посредством только своего ума и простейших приспособлений осмыслить сущность Вселенной. Если совершить небольшой экскурс в прошлое, то обнаружится, что идея эволюционирующей Вселенной, взятой на вооружение современной научной мыслью, вывигалась еще древним мыслителем Анаксагором (500-428 до н.э.). Заслуживает внимания и космология Аристотеля (384-332 до н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока Ибн Сины (Авиценна) (980-1037), пытавшегося логически опровергнуть божественное творение мира, и других, дошедших до нашего времени имен.

Человеческая мысль не стоит на месте. Вместе с изменением представления о строении Вселенной, менялось и представление о ее происхождении, хотя в условиях существующей сильной идеологической власти религии это было связано с определенной опасностью. Может этим и объясняется тот факт, что естествознание новоевропейского времени избегало обсуждения вопроса о происхождении Вселенной и сосредоточилось на изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традиция надолго определила общее направление и саму методику астрономического, а затем и астрофизического исследований. В результате основы научной космогонии были заложены не естествоиспытателями, а филисофами.

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести "происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян" и дать единое механическое объяснение всей совокупности известных ему астрономических, физических и биологических явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной космогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшего картину "механического происхождения всего мироздания". Именно Канту принадлежит первая в научно-космогоническая гипотеза о естественном механизме возникновения материального мира. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира. Вселенная перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных. Теперь перед изумленным человеческим разумом предстала мировая гармония совершенно иного рода - естественная гармония систем взаимодействующих и эволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья одной цепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенности дальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что послекантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как звезды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа. Второй особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных, неопределенность доступной астрономической информации, невозможность опытного обоснования космогонических гипотез в конечном счете обусловили превращение научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии.

2. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ КОСМОЛОГИИ

Вселенная самая крупная материальная система. Её происхождение интересует людей ещё с древних времён. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» - так сказано в Библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова её структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времён. Однако даже крупнейшие достижения естествознания XX в. не дают полностью исчерпывающие ответы.

Тем не менее, принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 году А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 году профессор Петроградского университета А. А. Фридман (1888 – 1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться или сужаться.              Следующий шаг был сделан в 1924 году, когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889 – 1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и открыл тем самым мир галактик. В 1929 году в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до неё, т. е.

V=Hr`

Где H – постоянная Хаббла. 

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет примерно 15млрд лет, а это означает, что вся Вселенная 15млрд лет назад была сосредоточена в очень маленькой области.              Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По какой-то причине ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из неё следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX века Г.А. Гамовым (1904-1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следует два вывода:

- вещество, из которого зарождались первые звёзды, состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%);

- в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому называется реликтовым.

3. МОДЕЛЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Одна из современных теорий – теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.                                                                                                                                                                                       В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 – 20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым.

Возвращаясь к сгустку перед БВ, нужно отметить, что достоверно неизвестно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далёкие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их такими, какими они были примерно 10 – 14млрд лет назад.

Г.А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении задолго до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос – Солнце. Современные методы анализа излучения звёзд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звёздах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвёздном пространстве водород и гелий находятся в атомарном состоянии. Теория БВ полностью согласуется с наблюдаемой распространённостью гелия во Вселенной.

Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвёздные атомы водорода и гелия служат сырьём для образования новых звёзд. Заметим, что распределение газа в межзвёздном пространстве неоднородно. Имеются выраженные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определённой области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество превысит в какой-либо области критическое значение порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлёту газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвёздной пыли сгустка, гигантское уплотнение и…взрыв!

4. РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ) связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввёл отечественный астрофизик И.С. Шкловский(1916 – 1985). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение существует и сейчас во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения рассчитал Г.А. Гамов. Она составляет около 3К, согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

Открытие реликтового излучения произошло в известном смысле случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова. А. Пензиас Р. Уилсон использовали для изучения радиационных характеристик космического пространства рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо». Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена. Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5К. Всё выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968году получили Нобелевскую премию. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

5. СЦЕНАРИЙ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Один из многих возможных сценариев развития событий по модели БВ и горячей Вселенной. Сразу после БВ Вселенная представляла собой сингулярность – область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения огромных энергий со взаимными превращениями. Приблизительно через 1с Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При громадных плотностях и температурах вещество состояло только из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица – античастица). Чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях.

Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образовавших новую Вселенную, менялся при её расширении. Сначала все фундаментальные взаимодействия в Природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Затем возникли тяжёлые фундаментальные частицы – кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счёт аннигиляции число пар этих тяжёлых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее наступает время лёгких частиц (лептонов). Вселенная как бы « омолодилась» и практически состояла из лептонов и излучения (квантов). Затем от ~1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Этим фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над веществом (эпоха излучения). 

Через приблизительно 100 с после БВ температура Вселенной упала ещё, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счёт ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра лёгких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после БВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. Далее в течении миллионов лет Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы не могли образоваться. Затем при дальнейшем уменьшении температуры энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда начали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи, - Вселенная стала прозрачной. С момента БВ до наших дней реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. Таким образом, РИ несёт информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1миллион лет.

В рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной.

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это, приводит к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счёт уменьшения объёма испытывали большое число столкновений, газ разогревался, возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься.

Сценарий БВ в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину БВ – причину первотолчка, не даёт ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, - не больше и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удалённые друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

6. МОДЕЛЬ РАЗДУВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

Частично эти вопросы снимает ещё одна современная модель – сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). Раздувание идёт экспоненциально, со скоростью, значительно большей скорости света. Объяснение этому парадоксальному выводу таково, что это был ещё не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией. Эта модель хаотического раздувания носит также название «инфляционной Вселенной».

Суть её в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому как переохлаждённая вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям БВ. Поскольку раздувающаяся, расширяющаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то о возрастании в ней энтропии говорить не имеет смысла и тем самым снимается проблема тепловой смерти Вселенной. Эта модель связана с понятием вакуума. Согласно этим идеям Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения.

По современным представлениям вакуум – особый тип физической реальности, особое «ничто», скрытое бытие, потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие Вселенные. В вакууме происходит нарушение симметрии и поэтому виртуальные частицы, которые там могут быть и вылетать из него, тоже асимметричны. В синергетическом понимании эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума. Считается, что в вакууме вместе с увеличением плотности энергии возникают натяжения подобно тем, что возникают в твёрдом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшем к раздуванию.                                                                                                                                             В одной из моделей вакуума предполагается, что вакуум как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая и может реализоваться затем в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. Это и есть так называемая инфляционная модель образования нашей Вселенной. В этой модели предполагается и подтверждается данными наблюдательной астрономии последних лет, что Вселенная родилась 15 – 18 миллиардов лет назад из вакуума путём спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира?

Вот, что по этому поводу говорил Я.Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трёхмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуаций негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звёзд и в конечном итоге планет и самой жизни».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе рассмотренных гипотез, я считаю, что более вероятным является сценарий зарождения и развития Вселенной по модели «пульсирующей» или раздувающейся Вселенной (инфляционная модель). Т.к. она, во-первых, более близка мне по мировоззренческому критерию, а во-вторых, представляется более логически завершенной.

Интересным является факт совпадения модели «пульсирующей» Вселенной с описанной в индийской мифологии, согласно которой Вселенная существует циклично. Она зарождается из «Ничто», в котором даже нет пространства. Сначала появляется маленькая точка. Постепенно она увеличивается, как-бы разворачивается изнутри-наружу. Само пространство с начинающимися в нём процессами творения космоса разворачивается, расширяясь с этой точкой. Вселенная расширяется до определённых размеров, а затем начинается обратный процесс инволюции до исходного состояния. Любопытно, что время эволюции-инволюции Вселенной равняется времени, когда проявленной (материальной) Вселенной не существует. 

Ну, а в современной модели, также предполагается момент, когда критическая масса расширяющейся Вселенной увеличится настолько, что сила притяжения этой массы вызовет обратное движение к центру, откуда начиналось движение. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Агекян Т.А. Звезды, галактики, метагалактики – М.: «Наука», 2003 – 416с.

2.      Дж. Силк Рождение и эволюция Вселенной. 1998.

3.      Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. – М.: Инфра, 2004.

4.      Лавриненко В.П. Концепция современного естествознания – М.: ЮНИТА- ДАНА, 2000.

18