1 МЧС РОССИИ Кафедра философии Материалы для

МЧС РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МИНИСТЕРСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ
СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ»
Кафедра философии
Материалы для дистанционного обучения по дисциплине
Концепции современного естествознания
Тема 10-11. Современная наука о космосе и Земле:
происхождение Вселенной
Учебные вопросы:
1. Постулаты Вселенной
2. Основные гипотезы происхождения Вселенной
3. Сценарии будущего Вселенной.
1
Учебный вопрос №1. Постулаты Вселенной.
На этой лекции мы рассмотрим, как с помощью законов физики
можно объяснить происхождение Вселенной.
В астрономии во второй половине XX в. и в начале XXI в.
получение такой информации осуществляется по четырем каналам:
Во-первых, это электромагнитные волны, причем не только в
оптическом диапазоне. Астрономия стала всеволновой. Это значит, что
наблюдения проводятся на всех диапазонах электромагнитных волн
(радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и
гамма диапазоны). В настоящее время свыше 60% информации о
космических объектах и процессах несут в себе внеоптические диапазоны
электромагнитных волн, начиная с самых длинных радиоволн и
заканчивая самым коротким гамма диапазоном.
Во-вторых, это космические лучи. На Землю из глубин космоса, а
также от Солнца непрерывно льются потоки лучей. Некоторые из них
достигают поверхности Земли, другие взаимодействуют с ее атмосферой.
В-третьих, это нейтринная астрономия. Нейтрино очень слабо
взаимодействует с веществом и трудно регистрируется. Зато оно несет
ценнейшую информацию о процессах, протекающих внутри звезд,
Солнца, в глубинах Вселенной, вспышках сверхновых звезд и др 1.
И, в-четвертых, это гравитационные волны, которые возникают в
результате грандиозных взрывов звезд. И хотя детектирование
гравитационных волн пока остается серьезной проблемой, существует
немало данных, свидетельствующих о существовании таких волн и
перспективности гравитационной астрономии.
1
Нобелевская премия по физике за 2002 г. присуждена за изыскания в области астрофизики, в частности за
обнаружение космических нейтрино (Р. Дэвису и М. Кошибе), и за открытие космических источников
рентгеновского излучения (Р. Джиаккони).
2
1. ПОСТУЛАТЫ ВСЕЛЕННОЙ
В настоящее время большой накопленный опыт философии и
астрономии (наблюдательной и теоретической) позволяет сделать
обобщение по строению Вселенной и её эволюции в виде четырёх
основополагающих Постулатов.
Постулат первый: Вселенная бесконечна в пространстве и времени.
Разработанная несколько позже Г. Гамовым теория «Большого
Взрыва» некоего «Первоатома» (или Илема) позволили напротив
объяснить эффект разбегания галактик. Согласно этой теории было время,
когда вся материя во Вселенной была сконцентрирована в одном
невероятно плотном однородном шаре концентрированной материи Илем
(Илем - древнегреческое название первичной материи). Возник он, как
считает Гамов, в результате предыдущего сжатия Вселенной. Хотя эта
теория и объясняет эффект разбегания галактик, она противоречит
Первому Постулату о бесконечности Вселенной. Если вся материя
Вселенной была сконцентрирована в одном небольшом шаре, то, что же
было вокруг него? И где он вообще находился?
Но как же тогда образованна бесконечная Вселенная?
Постулат второй: Вселенная пространственно образована
движущейся материей.
Вследствие преобладания различных видов вращательного движения
основной формой космических объектов является шарообразная. Таковы
звёзды и планеты. Галактики также следует рассматривать как
шарообразования с большей или меньшей концентрацией материи (массы)
в экваториальной плоскости вследствие собственного осевого вращения.
Элементарные частицы и атомы имеют также шарообразную форму
вследствие того или иного вида вращательного движения.
Космические объекты неправильной формы, так и как кометы,
астероиды, метеориты, болиды и другие, следует рассматривать как
осколки более крупных шарообразных тел.
Постулат третий: Вселенная пространственно имеет зонное
построение. Пространство бесконечной Вселенной состоит из тесно
соприкасающихся шарообразных пульсирующих зон, из которых одни
расширяются в данный момент, а другие, напротив, сжимаются.
Наша Зона Вселенной в данный момент расширяется, о чём
свидетельствует установленное астрономическими наблюдениями, так
называемое, «разбегание галактик». Расширение зон продолжается до
некоторой критической плотности (порядка 2*10 -29 г/см3), после чего
происходит обратное их сжатие.
Сжатие Зоны Вселенной приводит к резкой конденсации и сжатию
всех видов материи её составляющих: плазмы, газов, пыли, звёзд, планет,
галактик и др., разогреву всей этой массы до миллионов градусов, бурному
протеканию ядерных реакций и гигантскому Взрыву. Когда давление
3
изнутри становиться больше давления сжатия, и происходит этот
гигантский Взрыв, который приводит к разлёту сверхгорячей плазмы, из
сгустков различной массы которой в дальнейшем формируются новые
звёзды, планеты, галактики и другие космические объекты.
Распределение галактик в нашей Зоне Вселенной более или менее
равномерное, о чём свидетельствуют астрономические наблюдения.
Постулат четвёртый: Вселенная постоянно эволюционирует в
ходе повторяющихся циклов «расширения-сжатия» её Зон.
Вселенная непрерывно эволюционирует за счёт превращения части
массы (материи) в энергию при колоссальном её выделении в процессе
сжатия и взрыва Зон Вселенной, и перехода части энергии в новую массу
(материю) в ходе последующего расширения этих зон.
Отдельные звёзды в свою очередь образуют звёздные ассоциации –
галактики. Разлетающиеся галактики вместе с космическими излучениями
создают пространство новой Зоны Вселенной. Затем начинаются вновь
эволюционные процессы на планетах.
Нужно иметь в виду, что все процессы во Вселенной имеют
вероятностный характер, и могут происходить по-разному с определённой
степенью вероятности.
ВЫВОД по 1 вопросу:
1. Сформулированы основополагающие Постулаты, согласно
которым бесконечная Вселенная состоит из тесно соприкасающихся
пульсирующих Зон, из которых одни расширяются в данный момент, а
другие, напротив, сжимаются.
2. Дальнейшие разработки Зонной теории Вселенной позволят
установить сроки расширения и последующего сжатия нашей Зоны
Вселенной; ближайшие перспективы эволюции Земли, Солнечной системы
и Солнца; проблемы космических полётов и др.
Учебный вопрос №2. Основные гипотезы происхождения Вселенной.
Рассмотрим детальнее ту картину рождения Вселенной, которую
теоретически воссоздает современное естествознание.
ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ
Базовым
понятием
инфляционной
космологии
является
заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума.
Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического
вакуума за счет фазового перехода первого рода.
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантовых
полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц.
Физический вакуум – это не просто отсутствие поля, а одно из его
возможных состояний. Сингулярность – это и есть квантовая флуктуация
вакуума. Физический вакуум – форма материи, характеризующаяся
4
активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц
(постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном
из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями,
причем эти давления - отрицательные.
В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по
окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном
физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно
нагрело Вселенную до температуры примерно 10 27 К и энергии 1014 ГэВ. А
это и есть Большой взрыв.
Разработка инфляционных сценариев в космологии завершилась, по
словам одного из авторов А. Д. Линде, созданием теории хаотической
инфляции.
Инфляционная модель позволяет успешно объяснить ряд
фундаментальных космологических закономерностей. Прежде всего
перестал быть загадкой Большой взрыв, долгое время лежавший за
пределами естествознания.
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ.
Большой взрыв связан с так называемой эрой Великого объединения:
возраст Вселенной всего лишь 10 -34 с, а температура около 10 27 К.
Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического
вакуума множества разнообразных аннигилирующих виртуальных частиц.
Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и
антивещества.
По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с
веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к
веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток
и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная,
включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы
заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество
возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во
Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции возникло
мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно
остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое
фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе
значительную часть энергии Вселенной.
МОДЕЛИ
ГИПЕРБОЛИЧЕСКОЙ
И
ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ
ВСЕЛЕННОЙ
Теория Большого Взрыва согласуется с найденными учеными
возрастами Земли, звезд и галактик, что для многих равносильно
подтверждению правильности всей теории. В ее рамках мыслима также
возможность существования пульсирующей, или мерцающей Вселенной с
концентрацией вещества, эквивалентной серии больших взрывов.
5
Американский астроном Аллан Рекс Сендейдж, сторонник
пульсирующей Вселенной, считает, что большие взрывы происходят
каждые 82 миллиарда лет, то есть Вселенная пульсирует с циклом,
примерно равным этому времени. Другими словами, ее расширение после
Большого Взрыва постепенно затухает, и по истечении 41 миллиарда лет
она на мгновение замирает, затем начинает сжиматься и сжимается еще 41
миллиард лет, пока не превратится вновь в илем, и тогда происходит
следующий Большой Взрыв и весь процесс повторяется снова. Такая
Вселенная по-настоящему вечна, поскольку катастрофические изменения в
ней носят периодический характер.
К
одной
из
таких
разновидностей
относится
модель
гиперболической Вселенной. Она выросла из предпосылки, что эволюция
Вселенной началась не с Большого Взрыва, а с космического процесса,
диаметрально противоположного оному. То есть сначала Вселенная была
чем-то вроде "пустого пространства", а вернее - состояла из чрезвычайно
разреженного газа, испытывавшего воздействие своего собственного очень
слабого поля тяготения. На протяжении многих миллиардов лет эта
субстанция концентрировалась, а Вселенная - сжималась. По мере
увеличения плотности газа его поле тяготения увеличивалось, что по
истечении еще многих миллиардов лет привело к тому, что сжатие
Вселенной стало убыстряться и постепенно нагревать космическое
пространство, тем самым создавая все более высокие температуры в
сжимавшемся веществе. Затем последовала фаза расширения, и эта фаза
должна продолжаться до тех пор, пока Вселенная вновь не вернется к
состоянию пустоты.
Гиперболическая Вселенная изменения претерпевает, причем
изменения эти носят характер постоянный и необратимый. К модели
гиперболической Вселенной космологи пришли, изначально признавая
существование илема.
Существует альтернативная версия. Суть альтернативная версия
заключается в следующем. Предполагается, что сначала, как и в
гиперболической модели, Вселенная состояла из очень разреженного газа,
который был равномерно распределен по очень большому объему. Эта
огромная масса газа под действием сил тяготения начала постепенно
стягиваться к центру. Одновременно с увеличением ее плотности
происходила местная концентрация вещества, которая привела к
образованию галактик.
ВЫВОД по 2 вопросу:
1. Базовой моделью современной космологии является инфляционная
модель, которая позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных
космологических закономерностей.
2.
Инфляционная
модель
Большого
взрыва
объясняет
крупномасштабную однородность и изотропность Вселенной, мельчайшую
6
анизотропию реликтового излучения, образование структур галактик и их
скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности
изменения пространственной кривизны (современное ее значение близко к
нулю, как и в момент Большого взрыва) и др.
3. Существует ряд других моделей вселенной, построенной на
концепции Большого взрыва.
Учебный вопрос №3. Сценарии будущего Вселенной.
Десяток лет назад в космологии доминировали две модели эволюции
космоса, основанные на общей теории относительности (ОТО).
«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение
Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 1052 т
можно предположить, что примерно через 30 млрд. лет она начнет
сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние.
Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100
млрд. лет. Таким образом, Вселенная может быть представлена как
грандиозная
осциллирующая
система,
испытавшая
множество
эволюционных циклов
Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в «открытых» в
бесконечность космологических моделях, которые, по сути, представляют
собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с ними уже
через 1014 лет многие звезды остынут, что достаточно быстро (через 10 15
лет) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а
звезды покидать свои галактики. Примерно через 10 19 лет большая часть
звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики.
Центральные области галактик коллапсируют, образуя черные дыры.
Таким образом галактики прекращают свое существование.
Иначе разворачивается возможный сценарий будущего Вселенной в
том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 10 65 лет любое
твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все
оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10 1500 лет
любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие
звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей
Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!
Что же дальше? Пройдет невообразимое число лет, пока такие
железные капли не превратятся в «черные дыры». Эти, уже последние,
«черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10 67 лет
испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и
электронно-позитронную плазму. Такое состояние – окончательная
«смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу – физический вакуум.
Однако в 1998 году наблюдения за очень далекими сверхновыми
привели астрономов к выводу, что скорость расширения Вселенной не
падает, а, наоборот, возрастает!
7
Наиболее
подробно
"морозильный"
сценарий
разработали
американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин как раз накануне
открытия ускоренного расширения Вселенной – в 1997 году. Они
выполняли свои вычисления на базе стандартной открытой модели без
учета энергии вакуума. Согласно их модели, история нашей Вселенной
насчитывает четыре эры.
Модели расширения Вселенной. Вселенная, замедляющая свое
расширение (слева), достигает своего нынешнего размера (в желтой рамке)
за наименьшее время. Она может коллапсировать или расширяться
бесконечно, снижая темпы до нуля. Вселенная, расширяющаяся с
постоянной скоростью (в центре), старше предыдущей – для достижения
современного размера ей требуется больше времени. Она расширяется
бесконечно. Вселенная, расширяющаяся с ускорением (справа), еще
старше. Скорость ее расширения увеличивается из-за действия
антигравитационных сил вакуума
Это и есть космологическая тепловая смерть в самом чистом виде.
Не все модели эволюции Вселенной относят ее гибель в далекое
будущее. Существует сценарий, согласно которому финал может
наступить даже завтра. Впервые он был предложен московскими физиками
М.Б. Волошиным, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году, однако в
их работе содержались ошибки. Спустя пять лет американцы Сидни
Коулман и Фрэнк Де Луччиа уточнили этот сценарий.
Закрытые модели мироздания не отличаются особым разнообразием.
Вселенная еще какое-то время будет расширяться, в силу чего температура
реликтового космического излучения (которая сейчас равна 2,7 К)
продолжит падать. Далее такое расширение сменится сжатием, скорость
которого будет непрерывно увеличиваться.
Галактики станут сближаться, температура реликтовых фотонов
возрастет, пространство-время будет искривляться все сильнее и сильнее,
и в конце концов мироздание исчезнет в квантовой сингулярности.
Фактически, это Большой взрыв с обратным знаком.
8
Существуют сценарии циклически пульсирующего мироздания,
многократно рождающегося из сингулярностей, претерпевающего
расширение и сжатие и вновь гибнущего в коллапсе – этакий вселенский
маятник, качающийся из стороны в сторону, с постепенно затухающими
колебаниями. Но в конце концов у Вселенной, как у пружинных часов,
просто "закончится завод" – плотность вакуумной энергии достигает
истинного минимума, и вот тогда Вселенная коллапсирует окончательно и
бесповоротно. Впрочем, ждать этого придется очень долго.
Трудно представить область интеллектуальной деятельности,
которая на протяжении прошлого века подверглась бы изменениям,
большим, чем космология. Мы кардинально пересмотрели нашу точку
зрения на структуру окружающего мира. Но должна ли наука будущего
постоянно требовать больше опытных знаний, чем было доступно ранее?
Согласно последним исследованиям, на космологических промежутках
времени ответ будет: «Нет, не должна». Возможно, мы живем именно в тот
период эволюции Вселенной, когда ученые могут достичь полного
понимания ее истиной природы.
Современные исследования были мотивированы эпохальным
открытием, совершенным всего десять лет назад. Две независимые группы
астрономов обнаружили, что последние 5 млрд лет наша Вселенная
расширяется, причем с ускорением. Такая Вселенная будет постепенно
становиться все менее гостеприимной. Присутствие космологической
постоянной может привести к образованию фиксированного «горизонта
событий» - воображаемой сферы, вне которой ни материя, ни излучение
никогда не достигнут наблюдателя. В такой модели Вселенная становится
чем-то наподобие «внешней черной дыры», когда материя и излучение
оказываются запертыми вне горизонта событий, а не внутри него. Это
рассуждение приводит к выводу о том, что видимая Вселенная содержит
конечное количество информации, и ее передача (следовательно, и
зарождение и развитие жизни) не может продолжаться вечно. Задолго до
того, как указанный информационный предел станет критическим, вся
материя и излучение расширяющейся Вселенной окажутся за горизонтом
событий. Этот процесс был изучен в работах Абрахама Лоеба (Abraham
Loeb) и Кентаро Нагамине (Kentaro Nagamine), ученых университета
Гарварда, которые обнаружили, что наша так называемая «местная
группа» галактик (включающая в себя нашу Галактику, галактику
Туманность Андромеды и несколько карликовых галактик-спутников)
сольется в единое сверхскопление звезд. Все другие галактики исчезнут из
поля зрения наблюдателя. Этот процесс займет 100 млрд лет; по
человеческим меркам кажется, что это много, но по сравнению с
вечностью — чрезвычайно мало.
ВЫВОД по 3 вопросу:
9
Все ныне существующие модели развития Вселенной построены на
принципах расширения и сжатия Вселенной. «Закрытая» модель
предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием.
Примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет
вновь вернется в сингулярное состояние. «Открытые» космологические
модели, представляют собой сценарии «тепловой смерти», существует
большое количество таких моделей, каждая из которых по-своему
представляет будущее нашей Вселенной.
Контрольные вопросы к теме № 5.
1. В чём сущность гипотезы Большого взрыва?
2. Каковы альтернативные гипотезы о происхождении Вселенной?
3. Какие существую сценарии будущего Вселенной?
4. Какова роль «темной» энергии и материи во Вселенной?
5. Каковы происхождение и структура нашей Галактики и Солнечной
системы?
Литература.
Основная литература.
1. Найдыш В. М. «Концепции современного естествознания» M.,
Альфа 2004 г.
2. Концепции современного естествознания. /Под ред. В. Н.
Лавриненко, В. П. Ратникова: Учебник. - ЮНИТИ-ДАНА, 2009. С.
68-79, С. 179-183.
3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания:
Учебник.- М.: ООО «Издательство ЮКЭА», 2005. С. 683-730.
4. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: Курс
лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. С. 269-305.
Дополнительная литература.
1. 2. Вайнберг С. «Первые три минуты. Современный взгляд на
происхождение Вселенной». Ижевск., Регулярная и хаотичная
динамика , 2000
2. И. Д. Новиков. «Эволюция Вселенной» М. Наука, 1990
3. М. В. Сажин «Современная космология в популярном изложении»
Москва, УРСС, 2002
4. «В МИРЕ НАУКИ» № 6 июнь 2008 Лоренс Кросс и Роберт Шеррер,
«Наступит
ли
конец
космологии?»
http://www.sciam.ru/2008/6/cosmology.shtml
10
5. «В МИРЕ НАУКИ» № 7 июль 2005 Тина Катаева. «Рождение
Вселенной» (По материалам беседы с Андреем Линде)
http://www.sciam.ru/2005/7/ochevidnoe.shtml
6. А.
Левин
«Модели
эволюции
Вселенной»
http://www.inauka.ru/space/article67651.html
7. Ю.
М.
Гвоздев
Постулаты
вселенной
http://www.sunhome.ru/journal/16477
8. http://elite-home.narod.ru/universe.htm
11