ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Космология (мегамир)

19.1. Мегамир

Мир объектов космического масштаба - планет, звезд, галактик, Метагалактики. Кроме них во Вселенной присутствуют излучение и диффузная материя, которая может занимать огромные пространства в виде облаков газа и пыли - газопылевых туманностей.

Основу нашей спиральной Галактики составляет Млечный Путь (см. стр. 64). Кроме нашей Галактики, имеется множество других звездных систем. В «наблюдаемой Вселенной», т. е. в области, доступной современным средствам наблюдений, насчитывается около 100 миллиардов галактик. Их совокупность называют Метагалактикой.

При наблюдении с Земли Метагалактика представляется однородной и изотропной на очень больших масштабах (более 200 Мпк) и сильно неоднородной - на меньших.

Мегамир описывается законами классической физики с поправками, которые были внесены специальной и общей теорией относительности.

Преобладающим взаимодействием в мегамире является гравитационное.

Один из основных методов исследования Вселенной - спектральный анализ. Он позволяет на основе анализа пришедшего из космоса света установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т. п.

Химический состав Вселенной более чем на 99 % - водород и гелий и в незначительных количествах - все остальные элементы.

Происхождение легких химических элементов (вплоть до железа) связано с термоядерными реакциями внутри звезд (в недрах стабильных звезд).

Образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд.

19.2. Космология

Космология - наука о строении и эволюции Вселенной в целом.

Космологические модели, как и любые другие, строятся на основе тех представлений, которые господствуют в данное время.

Геоцентрическая модель Аристотеля: Земля в центре шарообразной, ограниченной сферой неподвижных звезд, неоднородной (подлунный и надлунный мир) и неизменной Вселенной.

Геоцентрическая модель Птолемея позволила не только объяснить все наблюдаемые особенности движения Солнца, Луны и планет, но и проводить кинематический расчет движения этих небесных тел. В рамках космологических представлений Птолемея шарообразная Земля находится в центре Вселенной, ограниченной сферой неподвижных звезд. Вокруг Земли обращаются Луна, Солнце и планеты по сложной системе окружностей «эпициклов» и «деферентов».

Гелиоцентрическая модель Коперника. Впервые идея гелиоцентризма была высказана Аристархом Самосским еще в 3 веке до н.э. Однако впоследствии, под давлением религиозного догматизма, от нее отказались в пользу геоцентрической модели.

Возрождение гелиоцентрической идеи связано с Н. Коперником, который разработал теорию движения планет, включая Землю, вокруг Солнца.

Космология Ньютона. Вселенная - бесконечная, безграничная, однородная и неизменная (стационарная).

19.3. Современная космология

Современная космология возникла после появления общей теории относительности, поэтому ее называют релятивистской. Соответствующие модели являются решением уравнений теории тяготения Эйнштейна в применении ко Вселенной в целом.

Первая космологическая модель, предложенная самим Эйнштейном (1917), была закрытой и статической. По Эйнштейну, Вселенная однородна, изотропна и имеет конечные радиус и объем, причем ее состояние не зависит от времени (Вселенная стационарна).

Модели нестационарной Вселенной (три сценария) получены А. Фридманом. Он детально исследовал уравнения Эйнштейна и показал, что теория допускает в качестве моделей также и нестационарные решения. Более того, статическая модель Эйнштейна является неустойчивой по отношению к малым возмущениям.

Вывод о нестационарности Вселенной получил подтверждение после обнаружения Хабблом (1929) красного смещения в спектрах галактик, которое свидетельствует о «разбегании галактик», т. е. о расширении Вселенной. В связи с этим на первый план вышли проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Характер расширения Вселенной зависит от средней плотности материи в ней. Если плотность окажется меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение, и оно будет продолжаться всегда с ускорением. Если плотность окажется равна критической величине, то расширение Вселенной будет происходить с постепенным уменьшением скорости. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.

Современные представления о происхождении и эволюции Метагалактики основываются на ряде экспериментальных наблюдений.

  • 1. Метагалактика, в среднем, обладает единым составом: водород (77 %), гелий (22 %), кислород (0,8 %), железо (0,1 %) и остальные элементы (0,1 %).
  • 2. В спектрах излучения далеких галактик наблюдается открытое

Э. Хабблом (1929) систематическое смещение в сторону более длинных, «красных» волн. Это явление, которое возникает вследствие эффекта Доплера, свидетельствует об удалении («разбегании») галактик от нас во все стороны. Установлено, что скорость V взаимного удаления двух звездных систем пропорциональна расстоянию R между ними:

V = Н R-закон Хаббла.

Здесь Н ~ (75 км/с)/Мпк - постоянная Хаббла.

  • 3. Все космическое пространство заполнено фотонным газом - фоновым (реликтовым) излучением, спектр которого соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре ~2,7 К. Концентрация фотонов составляет ~450 1/см3. Открытие фонового излучения принадлежит А. Пензиасу и Р. Вильсону (1965).
  • 19.4. Теория Большого Взрыва (Big Bang)

Одна из космологических теорий происхождения Вселенной - теория Большого Взрыва - предложена Г. Гамовым (1948).

По современным представлениям, Вселенная возникла 13,7 ± ±0,13 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Согласно теории, мы ничего не можем сказать про Вселенную в начальный момент времени. Наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент t ~10-43 с. В этот момент размер Вселенной составлял ~10”35 м, плотность ~1097 кг/м3, температура ~1032 К, а энергия частиц достигала значений ~1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. По мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и при энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло образование более сложных форм материи - нуклонов, а затем легких ядер, ионов, атомов ит. д.

Теория Большого Взрыва хорошо согласуется с экспериментальными фактами 1-3 (см. 19.3).

19.5. Эволюция Вселенной

Доминирующие гипотезы сводятся к тому, что первые 300-400 тыс. лет Вселенная была заполнена только ионизованным водородом и гелием. По мере расширения и остывания Вселенной они перешли в нейтральное состояние, образовав обычный газ. Предположительно через 500 млн лет зажглись первые звезды, а сгустки вещества, образовавшиеся благодаря флуктуациям, превратились в галактики.

В результате термоядерных реакций в звездах были синтезированы более тяжелые элементы (вплоть до углерода). Во время взрывов сверхновых звезд образовались еще более тяжелые элементы. Чем массивнее звезда, тем быстрее она гибнет и рассеивает большую часть своего вещества в пространстве, обогащая его разнообразными химическими элементами.

После взрывов вещество сгущалось снова, в результате чего зажигались звезды следующих поколений, вокруг которых образовывались планетные системы.

19.6. Космогония

Космогония изучает образование галактик, звезд, планет и других объектов.

Под действием гравитации в газопылевых облаках формируются сгущения с образованием вращающихся газопылевых дисков. Основная масса вещества концентрируется в центре диска, где растет температура, в результате чего начинается термоядерная реакция и вспыхивает звезда (рождения звезд в газопылевых облаках наблюдались в телескоп). В остальных частях диска образуются планеты. Установлено, что планетные системы вокруг звезд весьма распространены в нашей Галактике.

Космогонию можно разделить на две части: 1) космогония Солнечной системы (эту часть космогонии также называют планетной);

2) звездная космогония.

Во 2-й половине XX в. в космогонии Солнечной системы утвердилась точка зрения, согласно которой Солнце и вся Солнечная система образовались из газопылевого состояния. Впервые такое мнение было высказано И. Кантом.

Теорию Канта о происхождении Солнечной системы впоследствии развивал Лаплас. Он подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности и учел основные характерные черты Солнечной системы.

19.7. Антропный принцип (1974 г.)

Антропный принцип (1974) - один из фундаментальных принципов современной космологии, который устанавливает связь между физическими параметрами нашей Вселенной и существованием в ней наблюдателя - человека.

В качестве физических параметров рассматриваются фундаментальные физические постоянные - скорость света, массы электрона и протона, постоянная Планка, постоянные взаимодействий, элементарный электрический заряд...

С развитием знаний об устройстве микро-, макро- и мегамира стало очевидно, что все фундаментальные константы, взятые по совокупности, имеют очень узкий интервал допустимых значений, при которых Вселенная в том виде, в котором она перед нами предстает и обеспечивает условия для зарождения жизни, могла возникнуть и стабильно развиваться. «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек».

Если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов - ядер, атомов, и, как следствие, отсутствовала бы сама жизнь, поэтому размышлять о порядке всего мироустройства было бы просто некому.

Антропный принцип применяется в слабом и сильном варианте.

Слабый антропный принцип - свойства Вселенной таковы, что в ней могли появиться жизнь и разум («наблюдатели»).

Сильный антропный принцип - свойства Вселенной обязаны быть такими, чтобы в ней зародилась разумная жизнь.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Согласно современной космологии, возраст Вселенной (укажите не менее двух вариантов ответа)'.
  • 1) находится в диапазоне от 12 до 15 миллиардов лет;
  • 2) в несколько раз превышает возрасты Солнца и Земли;
  • 3) находится в диапазоне от 6 до 10 тысяч лет;
  • 4) практически совпадает с возрастами Солнца и Земли.
  • 2. Современная космология утверждает, что наша Вселенная:
  • 1) непрерывно пульсирует;
  • 2) сжимается;
  • 3) расширяется;
  • 4) остается такой, как была всегда.
  • 3. В пользу представления о расширяющейся Вселенной говорит (укажите не менее двух вариантов ответа):
  • 1) увеличение радиусов планетных орбит в Солнечной системе с течением времени;
  • 2) красное смещение линий в спектрах далеких галактик, пропорциональное расстоянию до них;
  • 3) систематическое изменение вида звездного неба, наблюдаемого астрономами, со времен античности и до наших дней;
  • 4) решение уравнений общей теории относительности, примененных ко Вселенной в целом.
  • 4. Укажите соответствие между космологической моделью и принятым в ней представлением о месте Земли во Вселенной.

Укажите соответствие для каждого нумерованного элемента задания.

1) геоцентрическая система А) Земля - рядовое небесное тело, одна из

мира Птолемея планет

2) гелиоцентрическая система Б) Земля - единственная планета, обладаю-

мира Н. Коперника щая атмосферой

  • В) Земля - особое, выделенное небесное тело
  • 5. Укажите соответствие между началом и окончанием правильного утверждения.

Укажите соответствие для каждого нумерованного элемента задания.

1) Смысл закономерности, открытой

Э. Хабблом при наблюдениях далеких галактик, состоит в том, что

2) Наличие красного смещения линий в спектрах излучения далеких галактик свидетельствует о том, что

A) наша Галактика расположена

в центре Вселенной, поскольку все далекие галактики разбегаются именно от нее

Б) каждая из далеких галактик удаляется от земного наблюдателя со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее

B) все далекие галактики удаляются от нашей Галактики

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >