Реферат: Концепція нескінченності й космологічна еволюція

Уявлення про відкриті системи, уведені некласичною термодинамікою, з'явилися основою для твердження в сучасному природознавстві еволюційного погляду на світ. Хоча окремі еволюційні теорії з'явилися в конкретних науках ще в 19 столітті (теорія виникнення сонячної системи Канта - Лапласа й еволюційна теорія Дарвіна), проте, ніякої глобальної еволюційної теорії розвитку Всесвіту до 20 століття не існувало. Це й не дивно, оскільки класичне природознавство орієнтувалося переважно на вивчення не динаміки, а статики систем. Така тенденція найбільше рельєфно була представлена атомістичною концепцією класичної фізики як лідера тодішнього природознавства. Атомістичний погляд, опирався на уявлення, що властивості й закони руху різних природних систем можуть бути зведені до властивостей тих дрібних часток матерії, з яких вони складаються. Спочатку такими найпростішими частками вважалися молекули й атоми, потім елементарні частки, а в цей час - кварки.

Безперечно, атомістичний підхід має велике значення для пояснення явищ природи, але він звертає головну увагу на будову й структуру різних систем, а не на їхнє виникнення й розвиток. Правда, в останні роки одержують поширення також системний і еволюційний погляди, які звертають увагу скоріше на характер взаємодій елементів різних систем, чим на аналіз властивостей тих часток, які розглядалися як свій рід останніх цеглинок світобудови.

Завдяки широкому поширенню системних ідей, а в недавній час і уявлень про самоорганізацію відкритих систем зараз усе наполегливіше висуваються різні гіпотези й моделі виникнення й еволюції Всесвіту. Вони посилено обговорюються в рамках сучасної космології як науки про Вселену як єдину цілу. Ми торкнемося тут в основному принципів космології з погляду концепції нескінченності й кінцівки її моделей.

Космологічні моделі Всесвіту

Моделі Всесвіту, як і будь-які інші, будуються на основі тих теоретичних уявлень, які існують тепер у космології. Сучасна космологія виникла після появи загальної теорії відносності й тому її на відміну від колишньої, класичної, називають релятивістською. Емпіричною базою для неї послужили відкриття позагалактичної астрономії, найважливішим з яких, безсумнівно, було виявлення явища «разбігання» галактик. В 1929 р. американський астроном Едвін П. Хаббл (1889-1953) установив, що світло, що йде від далеких галактик, зміщається убік червоного кінця спектра. Це явище, що одержало назву червоного зсуву, відповідно до принципу Допплера свідчило про видалення галактик від спостерігача.

Оскільки релятивістська космологія сформувалася на основі ідей і принципів загальної теорії відносності, то на першому етапі вона приділяла головну увагу геометрії Всесвіту й, зокрема, кривизні чотирьохмірного простору - часу.

Новий етап її розвитку був пов'язаний з дослідженнями російського вченого Олександра Олександровича Фрідмана (1888-1925), якому вдалося вперше теоретично довести, що Всесвіт, заповнений речовиною, що тяжіє, не може бути стаціонарної, а повинна періодично розширюватися або стискуватися. Цей принципово новий результат знайшов своє підтвердження після виявлення Хабблом червоного зсуву, що було витлумачено як явище «разбіганні» галактик. У зв'язку із цим на перший план висуваються проблеми дослідження розширення Всесвіту визначення її віку по тривалості цього розширення.

Нарешті, початок третього періоду розвитку космології пов'язане з роботами відомого американського фізика Георгія А. Гамова (1904-1968), росіянина за походженням. У них досліджуються фізичні процеси, що відбувалися на різних стадіях Всесвіту, що розширюється.

Всі ці особливості розвитку космології знайшли відбиття в різних моделях Всесвіту. Загальним для них є уявлення про нестаціонарний ізотропний і однорідний характер його моделей.

Нестаціонарність означає, що Вселена не може перебувати в статичному, незмінному стані, а повинна або розширюватися, або стискуватися. «Разбігання» галактик, очевидно, свідчить про її розширення, хоча існують моделі, у яких спостережуване в цей час розширення розглядається як одна з фаз так званої пульсуючої Вселеної, коли слідом за розширенням відбувається її стиск.

Ізотропність указує на те, що у Всесвіті не існує яких-небудь виділених крапок і напрямків, тобто її властивості не залежать від напрямку

Однорідність характеризує розподіл у середньому речовини у Всесвіті.

Останні твердження часто називають космологічним постулатом. До нього додають також правдоподібна вимога про відсутність у Всесвіті сил, що перешкоджають силам тяжіння. При таких припущеннях моделі виявляються найбільш простими. У їхній основі лежать рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, а також уявлення про кривизну простору - часу й зв'язку цієї кривизни із щільністю маси речовини. Залежно від кривизни простору розрізняють:

- відкриту модель, у якій кривизна негативна або дорівнює нулю,

- замкнуту модель із позитивною кривизною. Відстані між скупченнями галактик згодом безупинно збільшуються, що відповідає нескінченному Всесвіту. У замкнутих моделях Всесвіт виявляється кінцевої, але настільки ж необмеженої, тому що, рухаючись по ній, не можна досягти якої-небудь границі.

Незалежно від того, чи розглядаються відкриті або замкнуті моделі Вселеної, всі вчені сходяться в тім, що спочатку Всесвіт перебував в умовах, які важко уявити на Землі.

Ці умови характеризуються наявністю високої температури й тиску в сингулярності, у якій була зосереджена матерія. Таке допущення цілком погодиться із установленням розширення Вселеної, що могло початися з деякого моменту, коли вона перебувала в дуже гарячому стані й поступово прохолоджувалася в міру розширення.

Така модель «гарячого» Всесвіту вперше була висунута Г.А. Гамовим і згодом названа стандартної. Відомий американський астроном Карл Саган (р. 1934) побудував наочну модель еволюції Всесвіту, у якій космічний рік дорівнює 15 млрд. земного років, а 1 секунда - 500 рокам; тоді в земних одиницях часу еволюція представиться так:

Великий вибух Утворення галактик Утворення Сонячної системи Утворення Землі Виникнення життя на Землі Океанські планктони Перші риби Перші динозаври Перші ссавці Перші птахи Перші примати Перші гоминіди Перші люди

Стандартна модель еволюції Всесвіту

Ця модель припускає, що початкова температура усередині сінгулярності перевищувала 10 градусів по абсолютній шкалі Кельвіна, у якій початок шкали відліку відповідає - 273 градусам шкали Цельсія. У подібному стані неминуче повинен був відбутися «великий вибух», з яким зв'язують початок еволюції в стандартній моделі Вселеної, називаної тому також моделлю «великого вибуху» . Припускають, що такий вибух відбувся приблизно 1520 млрд. років тому й супроводжувався спочатку швидким, а потім більше помірним розширенням і відповідно поступовим охолодженням Всесвіту. По ступені цього розширення вчені судять про стан матерії на різних стадіях її еволюції. Думають, наприклад, що через 0,01 секунди після вибуху щільність матерії з неймовірно великої величини повинна була впасти. У цих умовах у Вселеної, очевидно, повинні були існувати фотони, електрони, позитрони, нейтрино й антинейтрино, а також невелика кількість нуклонів (протонів і нейтронів). При цьому могли відбуватися безперервні перетворення пар електрон+позитрон у фотони й назад - фотонів у парі електрон+позитрон. Але вже через 3 хвилини після вибуху з нуклонів утвориться суміш легких ядер: 2/3 водню й 1/3 гелію. Інші хімічні елементи утворилися із цієї дозоряної речовини в результаті ядерних реакцій. У момент, коли виникли нейтральні атоми водню й гелію, речовина зробилася прозорою для фотонів, і вони стали випромінюватися у світовий простір. У цей час такий залишковий процес спостерігається у вигляді реліктового випромінювання. Це явище перебуває в повній відповідності з моделлю «гарячого» Всесвіту. Воно збереглося до наших днів і спостерігається саме як релікт, або залишок, від тієї досить віддаленої епохи утворення нейтральних атомів водню й гелію.

У міру розширення й охолодження у Всесвіті відбувалися процеси руйнування існуючих раніше симетрії й виникнення на цій основі нових структур.

Той факт, що будь-яка еволюція супроводжується руйнуванням симетрій, безпосередньо треба із принципу позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого нерівно важність і нестійкість, що виникає у відкритій системі, внаслідок взаємодії системи із середовищем згодом не ліквідується, а навпаки, підсилюється. Це приводить в остаточному підсумку до руйнування колишніх симетрій і, як наслідок, до виникнення нової структури.

Очевидно, що про первісну еволюцію Вселеної ми можемо судити тільки на підставі тих результатів, які відомі нам сьогодні. Тому будь-яка модель, що будується для пояснення сучасного її стану, зокрема, розширення Всесвіту, повинна враховувати ці факти. Інакше кажучи, про ранню еволюцію Вселеної ми можемо робити висновки тільки шляхом екстраполяції, або поширення відомого на невідоме, і висування гіпотез про невідомі етапи її розвитку.

Припускають, що одним з перших результатів розширення й відповідно охолодження Всесвіту було порушення симетрії між речовиною й антиречовиною, а саме такими різнойменно зарядженими матеріальними частками, як електрон, що несе негативний заряд e\ - , і позитрон із протилежним позитивним зарядом е\+.. Їхня взаємодія при зіткненні приводить до утворення двох фотонів.

Як виникло подібне порушення симетрії, залишається тільки догадуватися. Неясним залишається також те, яким способом антиречовина виявилася відділеним від речовини й що втримує їх від анігіляції, або знищення. Очевидно, тут ми зустрічаємося з історичною реконструкцією. Тому що частки речовини й антиречовини при взаємодії анігілюють, тобто e\ - + е\+ :> 2гама, то припускають, що в давній давнині наш речовинний мир якимсь образом виявився ізольованим від миру антиречовинного. Інакше він не міг би існувати в силу процесів анігіляції речовини й антиречовини.

Загалом формування Вселеної, відповідно до стандартної моделі, представляється в такий спосіб. Коли температура Вселеної після вибуху впала до 6 млрд. градусів по Кельвіні, перших 8 секунд після вибуху там існувала в основному суміш електронів і позитронів. Поки ця суміш перебувала в тепловій рівновазі, кількість часток різного роду залишалося приблизно однаковим. Між частками відбувалися безперервні зіткнення, у результаті чого виникали пари фотонів, а із зіткнення останніх - електрон і позитрон.

На цій стадії відбувається безперервне перетворення речовини у випромінювання й навпаки, випромінювання в речовину. Внаслідок цього між речовиною й випромінюванням зберігалася симетрія.

Порушення цієї симетрії відбулося після подальшого розширення Вселеної й відповідно зниження її температури. Саме на цій стадії виникли більше важкі ядерні частки-протони й нейтрони. Самим же головним результатом цієї стадії мікроеволюції нашої області Всесвіту було утворення вкрай незначної переваги речовини над випромінюванням, що оцінюється приблизно як надлишок одного протона або нейтрона на мільярд фотонів. Саме із цього надлишку в процесі подальшої еволюції виникло те величезне багатство й розмаїтість матеріальних утворень, явищ і форм, починаючи від атомів, молекул, кристалів, мінералів і кінчаючи різноманітними гірськими утвореннями, планетами, зірками й зоряними асоціаціями, галактиками й скупченнями галактик.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--