Реферат: Космологические и космогонические концепции естествознания

Хотелось бы прежде обратиться к понятию «Вселенная». Уже отмечалось, что это и «универсум», и место «вселения» человека. В английском языке слово «Вселенная» (Universe) имеет ту же этимологию, что и «единство» (unity) или «единица» (one). Буквально оно означает единство, общность всех вещей, рассматриваемых как целое. Любопытно, что слово «целый» (whole) имеет один корень со словом «святой» (holy), что отражает, как пишет об этом один из самых известных современных популязаторов науки англичанин Поль Девис, глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология. Вплоть до XX века познание Вселенной как целого было прерогативой религии.

Многие ранние традиции, религии (иудейская, христианская и исламская) считали, что Вселенная создалась довольно недавно. Например, в 1658 г. архиепископ Джеймс Ушер из Англиканской церкви вычислил, что 8 часов утра 22 октября 4004 г. до н. э. — точная дата создания Вселенной. Он пришел к этой дате, складывая возраст людей и событий, упомянутых в Ветхом Завете (времена правления царей, период от Исхода евреев из Египта до посвящения храма Соломона, времена патриархов, рожденных до и после Великого потопа). Отцы и теологи Греческой православной церкви относят эту дату к 5508 г. до нашей эры. В таком случае две последние даты библейского создания Вселенной не так далеки от даты конца последнего ледникового периода, когда появился первый современный человек. Первые сомнения в этих датах были научно обоснованы в 1785 г. шотландским натуралистом Джеймсом Хаттоном в книге «Теория Земли» и в 30-х гг. XIX в. выдающимся английским геологом Чарльзом Лайелем (почитавшимся самим Чарлзом Дарвиным) в трехтомном трактате «Принципы геологии» (с этого времени, кстати, ведется отсчет существования самой геологии).

С другой стороны, Гераклит, Аристотель, Декарт, Галилей, Ньютон не признавали идею о том, что Вселенная имела начало. Они чувствовали, что это могло бы иметь место и время, но полагали, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда, т. е. вечно и бесконечно. Иначе думал великий немецкий философ и космолог Иммануил Кант (автор первой в истории небулярной, т. е. из туманности, гипотезы образования Солнечной системы), когда говорил, что существуют два одинаково правильных довода, оба принимаемых на веру: один, что Вселенная имела начало, и другой, что его не было. И доводы эти основываются не на наблюдениях Вселенной, поскольку она, по существу, не меняющаяся во времени, вряд ли представляет интерес для наблюдений. Таким образом, перед учеными вставала проблема выбора между верой в Бога и материальной верой.

Эти и прочие банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый сакраментальный вопрос космологии — имеет ли понятие Вселенной вообще смысл? Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое? На этот глубокий философский и натурфилософский вопрос может быть дан только экспериментальный ответ, который впервые был получен при наблюдении падения тел с Пизанской башни Г. Галилеем (это скорее легенда, но красивая легенда), в конкретных земных условиях, в весьма ограниченной области пространства. Повторить опыты Галилея где-либо еще во Вселенной нам вряд ли удастся (по крайней мере, в ближайшем будущем). Отсюда возникает весьма принципиальный вопрос: насколько применимы научные выводы к Вселенной как целому?

На практике в космологии прибегают к экстраполяции, т. е. к перенесению законов, выведенных из наблюдений, экспериментов и обобщений над отдельными частями Вселенной, за пределы этих частей, перенесению их ко всей Вселенной в целом. Почему мы уверены в правильности такой экстраполяции?

Универсальность физических систем вселяет в нас эту уверенность. Действительно, мы убеждаемся из наблюдений, что звезды очень похожи на наше Солнце, другие галактики напоминают нам нашу Галактику (Млечный Путь) как по размерам, так и по структуре, хотя, конечно, не все галактики оказываются спиральными, как наша Галактика. Удаленные от нас космические объекты состоят из тех же атомов, что и наша планета Земля и Солнечная система; совершенно неотличимы друг от друга атомы в любой части Вселенной. Астрофизики полагают, что процессы в самых удаленных областях космоса и в ближнем космосе идентичны, а происходящие взаимодействия универсальны, что подтверждается экспериментально, по спектрам, например, электромагнитных волн в оптическом, рентгеновском, гамма-диапазоне и диапазоне радиоволн.

Проникая в космос все дальше и дальше (на начало XXI века — до расстояний в 13,7 млрд. световых лет, почти до Космологического Горизонта), мы видим практически одно и то же, с небольшими отклонениями. Можно согласиться с тем, что это и странно и не так уж ясно. Еще с античных времен люди считали, что Земля — центр мироздания (и все религии с этим охотно соглашались), уникальный по своему местоположению и форме. Эти представления разрушили поляк Николай Коперник и итальянец Джордано Бруно: Земля — типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и, вообще, Вселенная состоит из огромного числа более или менее типичных областей или структур космоса.

Самый важный «космологический принцип» состоит в том, что ближний космос — типичный образец Вселенной в целом, так что фундаментальной чертой Вселенной является одинаковость ее областей и направлений. Современная астрофизика и космология дают нам картину однородной, изотропной, самосогласованной и регулярной в больших масштабах Вселенной. Вот эти указанные обстоятельства, эти особенности и позволяют расценивать Вселенную как единое целое.

2. Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной

Как же выглядит Вселенная в настоящий момент? Практически все видимое вещество заключено в галактиках — гравитационно связанных звездных системах размерами в десятки и сотни тысяч световых лет (5-50 кпк, где кпк — килопарсек, парсек равен около 3,26 световых года или 1013 км), содержащих от 106 до 1013 звезд (в среднем около 100 млрд. звезд), а также облака газа и пыли. Современной астрономии доступно для изучения более 10 млрд. галактик. Галактики объединяются в группы галактик (с числом менее 100 галактик), скопления и сверхскопления. Встречаются также одиночные, двойные и кратные галактики. Средние расстояния между галактиками в группах (например, наша Галактика находится в Местной группе галактик) и в скоплениях составляют 100-500 кпк, что в 10-20 раз больше размеров крупнейших галактик. Расстояния между одиночными, кратными системами и группами галактик составляют 1-2 Мпк (Мпк — мегапарсек). Таким образом, галактики заполняют внутри галактическое пространство с большей относительной плотностью, чем звезды, так как расстояния между звездами в среднем в 20 миллионов раз больше их диаметров.

Сверхскопления или суперкомплексы галактик — крупнейшие неоднородности во Вселенной, расположенные обычно в узлах ее ячеистой крупномасштабной структуры, в которых сходятся по несколько цепочек сверхскоплений галактик. Их размер может достигать порядка десятковсотни миллионов световых лет (15-80 Мпк). В масштабах многих сотен миллионов и миллиардов световых лет Вселенная ячеисто-однородна. Средние расстояния между сверхскоплениями составляют сотни мегапарсек; на сегодняшний день известно около 50 сверхскоплений. Местное сверхскопление, в которое входит и наша Галактика, имеет размер около 60 Мпк и содержит около двадцати тысяч галактик (исключая карликовые). Следующий структурный элемент галактик — скопления галактик, плотные супергалактические образования, в которых выделяют, помимо собственно галактик, еще диффузную компоненту — горячий ионизированный газ и невидимое вещество, или так называемую скрытую массу. Размеры скоплений галактик — от 1,5 до 3 Мпк — отвечают размерам первичных неоднородностей, способных эволюционировать в космические объекты согласно существующим теориям. Скопления галактик содержат от сотен до десятков тысяч галактик. Расстояния между скоплениями — десятки мегапарсек. Кроме галактик, во Вселенной присутствует равномерно заполняющее ее реликтовое электромагнитное излучение, небольшое количество очень разреженного межгалактического обычного вещества и неизвестное количество пока не поддающейся наблюдению, но проявляющей себя в некоторых гравитационных эффектах субстанции, называемой скрытой массой и скрытой энергией. Их доля в космосе сейчас оценивается в 95-97%.

Основной элемент Вселенной — галактика. Основной элемент галактики — звезда — массивный плотный газовый (точнее, плазменный) очень горячий шар (с температурами внутри до миллиардов градусов), излучающий в окружающее пространство огромную энергию в основном в виде электромагнитного излучения. Во всех галактиках большая часть вещества заключена в звездах — в крупнейших, так называемых эллиптических, галактиках на звезды приходится свыше 95 процентов массы. В спиральных галактиках, таких, как наша (точнее, Млечный путь является типичным представителем спиральных галактик с перемычкой, или пересеченных галактик — класс SB), доля газа и пыли значительно больше 5%, но все же гораздо меньше, чем доля звезд.

3. Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной

Изучение состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят из таких же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Это подтверждает вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. К тому же, на каждом этапе своего развития, наука просто не может обойтись без определенных «рабочих» моделей (которые всегда подлежат уточнению и заменам), независимо от того, идет ли речь о Вселенной, квазарах или обычных звездах.

Общие закономерности развития и структуры Вселенной изучаются путем построения космологических моделей. Это делается на основании общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г., основные принципы (постулаты) и положения. Впрочем, позже было установлено, что основные характеристики космологических моделей можно получить, исходя из ньютоновых классических представлений (это в наше время показали космологи Э. Милн и В. Маккри).

Построить или создать космологическую модель Вселенной, полагая, что это некоторое геометрическое размерное пространство, — значит получить зависимость для так называемого масштабного фактора от времени, т. е. выяснить, как зависит от времени расстояние (масштаб) между двумя его точками (например, между галактиками). При постановке этой задачи обычно исходят из предположения, что свойства Вселенной для каждого заданного момента времени одинаковы во всех ее точках (свойство однородности пространства) и во всех направлениях (свойство изотропии пространства). Этот космологический принцип однородности и изотропии Вселенной подтверждается наблюдениями: в сверхбольших масштабах в распределении сверхскоплений галактик и в самом деле не обнаружено отклонений от однородности и изотропии.

Итак, в начале прошлого века, после того как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александр Александрович Фридман (1888-1925), а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано, что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной — составляющая ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься, либо собраться в одном месте. Этот вывод был получен в науке так поздно только из-за глубокой подсознательной убежденности всех исследователей в «неизменности» существующего мира (как уже отмечалось, все великие ученые прошлого — Аристотель, Ньютон, даже Эйнштейн, который сначала не признал работу Фридмана, верили в стационарность мира). В этом были убеждены и материалисты, отрицавшие акт творения, и верующие, считавшие, что мир был сотворен Богом, но такое убеждение не было основано на фактах.

Темп удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения Вселенной.

Первые две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая — гипербола, вторая — парабола. Третья модель расширения соответствует циклоиде. Эти варианты эволюции Вселенной обусловлены соотношением между средней плотностью Вселенной 'р и некоторой критической плотностью р которая впервые была определена Фридманом. Если р < р_кр , то расширение идет по закону, описываемому гиперболой, если р = р_кр , получим параболу, и если р>р_кр , то процесс расширения когда-то (через два — три десятка миллиардов лет) сменится сжатием, это описывается циклоидой. Как замечаем, фундаментальное значение имеют две величины — средняя плотность Вселенной р и некая критическая плотность р_кр . Как показали многочисленные измерения внутри- и межгалактической плотности, средняя плотность р = 10^-30 г/см3. Что касается критической плотности р_кр , то мы к ней вернемся после освещения истории экспериментального открытия расширения Вселенной в 1929 году Эдвином Хабблом. Наиболее полно характерные космологические модели, которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной, представлены ниже:

- Пульсирующая модель . В этой модели в некоторый «нулевой» момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.

- Закрытая модель : масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.

- Модель Лемэтра : масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным.

- Модель Эйнштейна — де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).

- Замкнутая Вселенная , в которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона - Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.

- И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.

Теоретически, на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выяснить. Но история этого вопроса уже почти столетняя по времени. В 1912 г. американский астроном Вместо Слайфер начал измерять лучевые скорости спиральных туманностей, руководствуясь следующими соображениями. Если эти туманности находятся за пределами Галактики, то они не принимают участия в ее вращении, а поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца в Галактике. На протяжении нескольких лет Слайфером и тоже американским астрономом Эдвином Хабблом, проводившим независимые измерения, были получены спектры 41 объекта. Оказалось, что в 36 случаях линии в спектрах туманностей смещены в красную сторону.

Представлялось наиболее естественным (это была мысль Хаббла) объяснить этот сдвиг эффектом Доплера — движением туманностей от наблюдателя. В самом деле, в данном случае отношение прироста длины волны к самой длине волны связано со скоростью движения туманности. Следовательно, туманности удаляются от наблюдателя и их скорости, измеряемые тысячами и десятками тысяч км/с, значительно превышают скорость Солнца вокруг центра Галактики, равную всего 250 км/с. Хотя этот факт наблюдают астрономы на нашей Земле, в нашей Солнечной системе, в нашей Галактике, но это вовсе не значит, что мы расположены в центре Вселенной — от любой другой точки Вселенной галактики разбегаются точно так же. Разбегание — результат общего расширения Вселенной. Убедиться в этом можно на весьма простом примере. Возьмем резиновую нить и завяжем на ней узлы. Растянем нить вдвое. В результате этого и расстояния между каждыми соединенными узлами также увеличится вдвое. При этом каждый из узлов является равноправным, и по отношению к нему скорость других узлов при растягивании нити была бы тем больше, чем дальше они находились бы друг от друга. Другой пример — с раздувающимся резиновым шариком, на поверхность которого равномерно нанесены выделяющиеся на его фоне точки. При разрастании объема шарика скорость разбегания точек друг от друга будет тем больше, чем больше между ними расстояние. Кстати, на поверхности такого шарика, как модели Вселенной, невозможно найти и центр, его попросту нет. Аналогичным образом ведет себя и мир галактик. Разница лишь в том, что он трехмерный, тогда как нить или поверхность шарика имеет всего одно или два измерения.

Теперь можно снова вернуться к возможному сценарию дальнейшей судьбы нашей Вселенной, которая зависит от величины средней плотности вещества во Вселенной и которую оказалось возможным оценить после открытия Хабблом закона разбегания галактик. Им был установлен следующий закон, связывающий скорости и расстояния между галактиками: v = HR. В этом законе и — скорость разбегания галактик, R — расстояние между галактиками, коэффициент пропорциональности между ними Н принято называть постоянной Хаббла. Ее современное среднее значение Н = 65 км/с/Мпк. Численная величина постоянной Хаббла имеет принципиальное значение для определения критической плотности вещества и при указанной выше величине она оказывается равной

Видим, что средняя плотность вещества во Вселенной численно меньше критической, так что, если бы не существовало никаких не обнаруженных форм материи во Вселенной, а о них мы сегодня говорим, тогда «наш сценарий» эволюции Вселенной определялся бы гиперболой, т. е. Вселенная расширялась бы неограниченно долго. Но сейчас следует воздержаться от таких категоричных заявлений.

Парадокс красного смещения. На протяжении нескольких десятилетий во второй половине XX века некоторые астрономы и физики стремились найти какое-то другое объяснение красному смещению. В частности, они усматривали в этом проявление каких-то еще неизвестных сегодня закономерностей. Так, отец антимира Поль Дирак предположил, например, что эффект красного смещения мог бы иметь место, если бы во Вселенной существовало вековое изменение абсолютной длительности единицы времени. Речь идет, конечно, не об изменении длительности привычной для нас секунды, связанной со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Имеется в виду изменение ритма всех процессов во Вселенной — скоростей термоядерных реакции в звездах, радиоактивного распада и т. д. Красное смещение в спектрах галактик могло бы иметь место и при изменении со временем величины скорости света, а также при уменьшении энергии кванта в процессе его путешествия в межгалактическом пространстве. Но если энергия кванта в процессе этого движения не передается ничему, то ее уменьшение (увеличение длины волны) может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии. Если же квант теряет часть своей энергии, передавая ее другим фотонам или частицам среды, то при этом акте направление его движения изменится. Поэтому изображения других галактик должны быть тогда размытыми (расплывчатыми), и тем более размытыми, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие. Поэтому гипотеза «старения квантов» была отвергнута (вспомним, что, согласно Попперу, наука это исключение фальшивых гипотез). Упомянутые две другие возможности (изменение ритма времени или скорости света) вообще не могут быть проанализированы всерьез в рамках сегодняшней теоретической физики. Что есть или что такое время? Почему скорость света в вакууме является постоянной и максимальной из всех возможных? Существует ли какая-нибудь связь между гравитацией и электромагнитными свойствами вещества? Это все глобальные проблемы современности. Все они, очевидно, будут решены лишь в будущих, более совершенных теориях пространства, времени и взаимодействий.

Сегодня «разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно построить общую картину развития наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько слабо, т. е. они так далеки, что никаких отдельных объектов в них различить нельзя. Но наблюдения показывают, что увеличение красного смещения галактик сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой нами Вселенной. Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в пространстве, а о расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым встречаются с все более и более молодыми объектами! Мы тем самым, по существу, видим прошлое вещества, прошлые эпохи Вселенной.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--