Космологическая модель Вселенной. Биологическое время

    Содержание

    Введение                                                                                                           3

    1. Основные космологические гипотезы                                                       5

    2. Теория большого взрыва                                                                             8

3. Циклическая  модель Вселенной. Возникновение Вселенной с          точки зрения М-теории                                                                                10

    4. Биологическое время                                                                                 11

    Заключение                                                                                                     20

    Список  использованных источников                                                           21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Представление об открытых системах, введенное неклассической термодинамикой, явилось основой для утверждения в современном естествознании эволюционного взгляда на мир. Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в прошлом веке (теория возникновения солнечной системы Канта — Лапласа и эволюционная теория Дарвина), тем не менее, никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до нашего века не существовало. Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время – кварки [3].                 

    Бесспорно, атомистический подход имеет большое  значение для объяснения явлений природы, но он обращает главное внимание на строение и структуру различных систем, а не на их возникновение и развитие. Правда, в последние годы получают распространение также системный и эволюционный взгляды, которые обращают внимание скорее на характер взаимодействий элементов разных систем, чем на анализ свойств тех частиц, которые рассматривались в качестве своего рода последних кирпичиков мироздания.

    Благодаря широкому распространению системных  идей, а в недавнее время и представлений  о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной [2].

    Модели  Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности и поэтому ее в отличие от прежней, классической, называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления “разбегания” галактик. В 1929 г . американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889—1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера свидетельствовало об удалении (”разбегании”) галактик от наблюдателя [2, 4].

    Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства – времени [7].

    Новый этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана (1888—1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление “разбегания” галактик. В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

    Наконец, начало третьего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904—1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной [4].

    Все эти особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

    Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. “Разбегание” галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит сжимание [2].

    Видно, что космологических моделей  Вселенной было предостаточно, однако, не смотря на их разнообразие Космос и  Вселенная, а также все то, что с ними связано, составляют самую большую загадку для человеческого ума. Вселенная таинственна, и никто не знает, сколько тайн она еще хранит в себе. Поэтому данные вопросы являются очень актуальными и на сегодняшний день. В своем реферате хотелось бы описать основные модели возникновения вселенной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Глава 1. Основные космологические гипотезы

    Результаты  познания, получаемые в космологии, оформляются  в виде моделей  происхождения и  развития Вселенной. Это связано с  тем, что в космологии невозможно поставить  воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально [9]. 

    1.1. Классическая космологическая модель

    Успехи  космологии и космогонии 18 - 19 вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Вселенная в этом представлении о мире считается бесконечной в пространстве и во времени, т.е. вечной. Основной закон, управляющий движением и развитием небесных тел, - закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Количество звезд, звездных систем и планет во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. В таком виде классическая космологическая модель Вселенной господствовала в науке вплоть до конца 19 в. К концу 19 века появились серьезные сомнения в классической модели, которые приняли форму космологических парадоксов - фотометрического, гравитационного и термодинамического.

    В 18 веке швейцарский  астроном Р. Шезо высказал сомнения по поводу пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит, поэтому данное парадоксальное утверждение получило в астрономии название фотометрического парадокса Шезо-Ольберса [8].

    В конце 19 в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. В бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной (результат зависит от способа вычисления). Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит и сама Вселенная небесконечна. Это утверждение получило название гравитационного парадокса [5].

    Термодинамический парадокс был сформулирован  также в 19 в. Он вытекает из второго начала термодинамики - принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется закону сохранения энергии. Кажется, что из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. Если в природе материя не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а материя пребывает в постоянном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла.

    Поэтому неожиданно прозвучал  вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине 19 в. Кельвином и Р.Ю.Э. Клаузисом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, наступит «тепловая смерть Вселенной».

    Таким образом, три космологических  парадокса заставили  ученных усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей. 

    1.2. Релятивистская модель Вселенной

    Новая модель Вселенной  была создана в 1917 году А. Эйнштейном. Ее основу составила  релятивистская теория тяготения. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

    Объем такой Вселенной  может быть выражен, хотя и очень большим, но конечным числом кубометров. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит ограниченное число звезд и звездных систем, и поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Вечность ей не присуща [4].

    Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность  идей, Эйнштейн в  своей космологической  теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую  установку, на статичность мира. 

    1.3. Модель расширяющейся  Вселенной

    В 1922 г., советский геофизик и математик А.А. Фридман на основании  строгих расчетов установил, что Вселенная  никак не может  быть стационарной. Фридман сделал это  открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной [5].

    Фридман доказал, что уравнения  Эйнштейна имеют  решения, согласно которым  Вселенная может  расширяться либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная  Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются. Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий. Это было истолковано как следствие эффекта Доплера - изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

    В результате своих  наблюдений Хаббл  обосновал представление, согласно которому Вселенная  - это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями.

    Фридман предложил три  модели Вселенной.

    1. Вселенная расширяется медленно  для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

    2. Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно.

    3. Пространство плоское и бесконечное  

    По  какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества.

    Если  кинетическая энергия  разлета вещества преобладает над  гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения  не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной».

    Если  же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности. Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

    В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю [6].  
 
 
 
 

    Глава 2. Теория большого взрыва

    Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). Основной теорией объясняющей возникновение и развитие Вселенной, и по сей день, является теория Большого взрыва. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя позже она была дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

    В 1948 году Гамов выдвинул предположение, что  Вселенная образовалась в результате гигантского  взрыва, произошедшего  примерно 15 млрд лет  тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность - бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

    Но  по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть  в одну точку, поэтому  считается, что Вселенная  в начальном состоянии  имела определенную плотность и размеры.

    Долгое  время ничего нельзя было сказать о  причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной [5].

      «Начало»  Вселенной. Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения, т.е. из ничего. В вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют виртуальные частицы, которые берут у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, быстро вернуть занятую энергию и исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные. Поэтому в определенной точке пространства образовалось огромное количество последних. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство.  

    Инфляционный  период - 10 в минус 33 степени секунды после начала расширения Вселенной, за которые ее размеры увеличились в 10 в 50 степени раз.

    К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда  инфляция иссякла, Вселенная  стала чрезвычайно  «горячей». С этого  момента Вселенная  развивается стандартно согласно теории «горячего» Большого взрыва.

    Ранний  этап эволюции Вселенной. Эволюция Вселенной происходило поэтапно, и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением ее структур. Этапы различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами: адронной,  лептонной, эрой излучения. 

    После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представлял собой газовопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя 1 млрд лет  после образования  Вселенной из случайных  уплотнений вещества стали появляться галактики и звезды.

    Галактики существуют в виде групп (несколько  галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояние между галактиками в группах и скоплениях в 10-20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями.

    Звезды  рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил.  

    Рождение  звезд в галактике  происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Источник собственного свечения звезд – термоядерная реакция, превращающая водород в гелий.

    С момента начала этой реакции звезда переходит  на главную последовательность, в соответствии с  которой будут  изменяться с течением времени ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический состав и масса [9].  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Глава 3. Циклическая модель Вселенной. Возникновение Вселенной с точки зрения М-теории

    В 2001 году два космолога - Нил Тьюрок и Пол Стэйнхардт, осуществили попытку объяснения возникновения Вселенной с точки зрения современной, сформировавшейся в 90-е годы двадцатого века многообещающей М-теории, которой прочат звание единой теории всех фундаментальных сил составляющих Вселенную. Согласно М-теории пространство состоит не из привычных нам трёх измерений, а из 11 измерений, 11 измерением является время. Стэйнхардт и Тьюрок выдвинули предположение, что взрывы, а точнее столкновения бран (брана в М-теории – это многомерная мембрана, протяжённый двухмерный или с большим числом измерений n-брана объект) были и будут, они вечны. Вселенная - это бесконечный цикл движимый бесконечным количеством взрывов на протяжении вечности. М-теория показала возможность существования бесконечного множества параллельных Вселенных, которые словно параллельные мембраны находятся от нас в долях миллиметров. Столкновение же бран приводит к тому, что мы называем Большим Взрывом. Браны притягиваются, но с крайне слабой силой. Недавнее открытие увеличивающейся скорости расширения Вселенной, «разбегания» галактик, привело в частности к гипотезе о существовании Тёмной энергии, хорошо вписывающейся в космологическую модель М-теории. Тёмная энергия, это сила заставляющаяся Вселенную расширяться ещё быстрее, на языке М-теории это приводит к плоской бране. Две браны сходясь вместе заряжают друг друга энергией. Затем Тёмная энергия на протяжении триллионов лет рассеивает эту энергию [10].

      «Тёмная энергия со временем меняет свои характеристики, - рассказывает Стейнхардт Би-би-си. - В конце концов, поле начинает вырабатывать энергию до момента нестабильности, когда оно взрывается материей и излучением, наполняя Вселенную. Это ведет к следующему периоду расширения [11]».

    «В  обычном изложении подразумевается, что Большой взрыв - это начало пространства и времени, что в начале было ничто, и из этого ничто появились пустота, время, материя, излучение и так далее, - говорит Стейнхардт. - Мы предлагаем новую картину, в которой Большой взрыв - не начало времени, а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагревания, расширения, застоя, опустошения и вновь расширения [11]».

    Таким образом, в конце концов, браны, уплощаются, затем сходятся вновь, и весь цикл повторяется, уже бесконечное число раз.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    4. Биологическое время

    В условиях современности науке нельзя ограничиваться отдельным анализом пространственного аспекта отдельно от временного, они связаны воедино: Тимофеев-Ресовский: “в любое определение, которое мы пытаемся сформулировать для понятия системы, должно входить время, история, преемственность, иначе все теряет смысл, и понятия “система” без остатка идентифицируется с понятием “структура”… Так же как элементарные составные части данной системы являются звеньями именно этой системы и неотделимы с точки зрения этой системы, так и время относится к числу этих неотделимых элементарных, составных частей” [2].

    То или иное состояние пространственное организации живых систем (в 3-х мерном пространстве) всегда относится к какому-то определенному моменту (до, после) состояние иное. Развертывание структуры в пространстве неотделимо от развертывания ее во времени, которое для системы становится 4-ым измерением.

    Пространство в естествознании выражает протяженность, порядок и характер размещения материального объекта, их взаимное расположение. 
Время в естествознании отражает последовательность процессов изменений и длительность существований объекта.

    Попыток определить единство пространственно-временной организации в отношении живого объекта не предпринималось.

    Писатель Сартаков в романе “Философский камень”: 
“Альберт Эйнштейн как математик разгадал единое пространство-время, найдя 4-ое измерение. Но это только для мертвой материи. А между тем жизнь, течение жизни никак не отделимы от пространства и времени. Эйнштейн, почему же вы пренебрегли этим? Я тоже хочу разгадать пространство и время, но для живой материи. Я все испробовал. Какая наука даст мне ответ на это?”

    Ответа нет. 

    4.1. Проблема «биологического времени»

    С понятием временной организации тесно связана проблема специфичности течения времени в живых системах, или, как ее называют, проблема биологического времени.

    Большинство авторов подчеркивает, что время едино во Вселенной, какого-либо особого (например, биологического времени) нет, правомерно говорить лишь о субъективной оценке времени. Однако существует и противоположная позиция, имеющая немалое число сторонников. Проблема биологического времени была поставлена более 100 лет назад К.Бэром, основоположником эмбриологии. Научно обоснованная идея о биологическом времени принадлежит В.И. Вернадскому, который в это понятие включил время, связанное с жизненными явлениями, точнее, с отвечающим живым организмам пространством, обладающим дисимметрией. По Леконте де Нюп (1936), биологическое время нерегулярно, поскольку нерегулярны изменения, лежащие в его основе. Это составляет отличие от физического времени. Ф.Чижек (1967) обращает внимание на то, что в разном возрасте нужно неодинаковое количество физического времени для совершения равной физической работы. Примером отличия физического и биологического времени является календарный и биологический возраст человека. По мнению В.А.Межерина (1980), две формы времени (физическое и биологическое) не тождественны, при сведении биологического времени к физическому утрачивается представление о специфике биологических систем. В современной научной литературе приводится много свидетельств довольно существенной изменчивости масштабов времени в психофизическом восприятии его течения человеком. Особенно это касается стрессовых ситуаций, когда время «сжимается» или «растягивается» [7].

    Существование биологического времени признается не всеми. Есть те, кто считает, что время обладает всеми свойствами физического времени:

    1. однонаправленность (необратимость)

    2. одномерность (при наличии начала отсчета любой момент времени может быть задан с помощью только одного числа, а для фиксации любого события требуется один временной параметр)

    3. упорядоченность (моменты времени расположены по отношению друг к другу в линейном порядке)

    4. непрерывность и связанность (время состоит из несчетного множества мгновений, его нельзя разбить на части, чтобы в одной из них не было бы момента времени, бесконечно близкого ко второй части).