Введение……………………………………………………………………………………3

1. Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание…………………………………………………………………………………4

2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идее гелиоцентризма и становление классической научной космологии………………………………………..5

3. Строение галактик, звезд, планет……………………………………………………..11

4. Концепции происхождения солнечной системы…………………………………….14

Заключение………………………………………………………………………………..17

Список используемой литературы………………………………………………………19

Введение

Космология – один из разделов астрономии. Другие ее разделы изучают конкретные космические объекты с различных точек зрения. Космология же претендует на изучение Вселенной как целого. Точнее, космология есть физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. В этом определении надо различать понятия «учение» и «теория»: учение здесь предполагается более общим понятием, чем теория. Теория – такое учение, которое может и должно быть проверяемо эмпирическими данными, тогда как учение вообще может быть такой проверке и не доступно. Поэтому теория Вселенной как целого невозможна. Но зато возможна теория всего охваченного астрономическими наблюдениями мира. При этом – поскольку никакая часть Вселенной не является физически изолированной системой – теория всего охваченного наблюдениями мира должна рассматривать его как часть Вселенной. В то же время (поскольку космология основывается не только на эмпирических данных, но и на основных законах физики, то есть основных физических теориях, область применимости которых в принципе выходит сколь угодно далеко за пределы охваченного наблюдениями мира) возможно учение о Вселенной как целом, основанное на этих законах. Выводы этого учения, выходящие за границы охваченного наблюдениями мира, не доступны непосредственной эмпирической проверке. Критерием их правильности может служить их сохранение при смене основных физических теорий, лежащих в основе космологии, новыми, более общими и, следовательно, опирающимися на несравненно более широкий круг фактов.

Разумеется, кроме эмпирических и физико-теоретических данных для космологии существенны философские принципы, поскольку она соприкасается с коренными вопросами философии и, кроме того, не может обойтись без далеко идущих обобщений и экстраполяций. Следует заметить, что в применении ко Вселенной словосочетания «как целое» имеет существенно иной смысл, чем в применении к материальному миру: «Вселенная как целое» означает Вселенную в ее отношении ко всем ее частям (областям) и все части Вселенной в их отношении ко Вселенной, иначе говоря, единство всех частей Вселенной. В отношении же к материальному миру словосочетание «как целое» означает единство всех его аспектов (сторон).

1.Понятие «космос», «мегамир», «Вселенная», «метагалактика» и их смысловое содержание.

Объектом естествознания является природа, то есть весь окружающий нас мир. Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие "Вселенная". Оно может считаться эквивалентом понятия "природа". В более узком смысле под Вселенной понимается окружающий нас мегамир - совокупность макроскопических тел, их систем астрономического (то есть гигантского) масштаба. Макроскопические тела - это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов, молекул). Более конкретно, мегамир - это мировое пространство, небесные тела, их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом. Значение слова "космос" в греческом языке - "порядок, гармония, красота". Это слово родственно слову "косметика", смысл которого "искусство украшать". Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор. Понятие "космос" часто используют в качестве синонима понятия "Вселенная". В популярной литературе "космическое" очень часто противопоставляют "земному", хотя Земля объект Вселенной.

Наблюдаемая область Вселенной называется Метагалактикой. Ее границы по мере совершенствования астрономических инструментов расширяются, но существует принципиальный предел, обусловленный конечностью скорости света. В настоящее время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).

Используемый термин "мегамир" наиболее абстрагирован от понятий конкретных наук, более других терминов наполнен физическим содержанием.

Изучение Вселенной началось, продолжается в течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило почти исключительно оптическими методами. Это связано с тем, что человеческий глаз оставался единственно возможным приемником электромагнитного излучения, к тому же очень чувствительным. Кривая видности (спектральной чувствительности) человеческого глаза соответствует кривой распределения энергии в спектре Солнца. Поэтому доступной областью излучения космических тел был диапазон от 0.4 до 0.7мкм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими; изучалось только расположение светил, их видимое движение на небесной сфере.

Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира - Птолемея, Коперника. Сейчас астрономы научились определять расстояния, как до тел Солнечной системы, так, более удаленных объектов: звезд, галактик. Тем самым удалось представить геометрическую структуру мира.

Оптические наблюдения, в настоящее время не потеряли своего значения. Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе, нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Наблюдения в рентгеновском, g-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни (пульсары, черные дыры, т.д.).

Наука, изучающая мегамир, называется астрономией. Астрономия - составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук. Нейтринное излучение Солнца находится в ведении "чистых" физиков. В контактных исследованиях космических тел участвуют физики, химики, инженеры, космонавты. В будущем науки, изучающие мегамир, будут более обширными, глубокими, чем их земные аналоги.

2. Предмет космологии. Переход от идеи геоцентризма к идеи гелиоцентризма и становление классической научной космологии.

Современная космология – это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивисткой термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюция Вселенной как целого. Космологию можно называть наукой о космосе. В наше время космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так как было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу – «беспорядку». Таким образом, масс и их движения. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считается действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (так называемый антропный принцип). К настоящему времени сложились определенные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя привести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым предметом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большой степени модели, чем многие иные научные утверждения.

В свое время революционный переход от геоцентризма к гелиоцентризму имел драматический характер.

Коперник, будучи каноником и посвятив папе Павлу III труд всей своей жизни "О вращениях небесных сфер" или, как написано в посвящении этого сочинения и решился опубликовать его лишь накануне своей кончины (1543).

Хотя еще Николай Кузанский (1401-1464), философ, ученый, теолог, религиозный проповедник, ревностный католический деятель, ближайший советник папы Пия II, кардинал и епископ, за сотню лет до того утверждал, что Земля, как и любое другое тело, не может быть центром Вселенной:

Итальянский монах, теолог, философ и поэт Джордано Бруно (1548-1600), ставший последователем Николая Кузанского и Николая Коперника и страстным проповедником идеи множественности обитаемых миров, был обвинен инквизицией в ереси и сожжен на костре в Риме.

Однако в 1616 г. комиссия из 11 ученых экспертов представила инквизиции мнение об отстаиваемой Галилеем гелиоцентрической концепции, которое оценивало ее как философски абсурдную и не согласующуюся с доктриной Священного Писания. И мнение этой комиссии довел до сведения Галилея тот же кардинал Беллармин, обязав его отказаться от пропаганды гелиоцентрической системы. Все коперниканские сочинения были включены инквизицией в индекс запрещенных книг.

Тем не менее, Галилео Галилей, правоверный христианин и выдающийся ученый физик, механик и астроном, опубликовал в 1632 г. свой "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой" (получивший вначале апробацию церковных властей и разрешение на выпуск в свет), но сразу же в 1633 г. был сурово осужден инквизицией за отстаивание учения Коперника.

Английский астроном Джеймс Брадлей (1693-1762), пытаясь измерить параллактическое смещение звезд вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца, обнаружил значительное смещение их в сторону, противоположную параллактическому (1727), и вскоре нашел правильное объяснение такого смещения: оно связано с годичным орбитальным движением Земли вокруг Солнца и является следствием конечной скорости света (1729). Это открытие аберрации света было первым прямым наблюдательным подтверждением гипотезы Коперника об орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Позднее российский астроном и геодезист Василий Яковлевич Струве (1793-1864) в Дерптской обсерватории, немецкий астроном и геодезист Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) в Кенигсбергской обсерватории, а также Т. Хендерсон в обсерватории на мысе Доброй Надежды независимо друг от друга и почти одновременно впервые успешно измерили годичные звездные параллаксы, связанные с орбитальным движением Земли вокруг Солнца (1837-1840).

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868) экспериментально доказал суточное собственное вращение Земли вокруг ее полярной оси, проведя специальные опыты со свободно качающимся маятником ("маятник Фуко") и наблюдая соответствующее систематическое отклонение плоскости качания от начального положения в данном месте на поверхности вращающейся Земли (1851).

Переход от геоцентризма к гелиоцентризму, казалось бы, окончательно обоснованный, вовсе не означает, что геоцентрическая система отсчета утратила всякий смысл: люди по-прежнему живут на Земле и все непосредственные наблюдения, даже астрономические, относят к ней, отвлекаясь от ее движения.

Попытки обнаружить абсолютное движение Земли относительно мирового эфира или установить его увлечение Землей при ее движении, неоднократно предпринимавшиеся американским физиком Альбертом Абрахамом Майкельсоном (1852-1931) и другими, неизменно приводили к отрицательному результату.

Это объяснила лишь созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955) специальная теория относительности (1905). А созданная тем же Эйнштейном, исходя из характерного для классической механики Ньютона тождества гравитационных и инертных масс (или, иначе, исходя из локального принципа эквивалентности гравитационных и инерциальных сил), так называемая общая теория относительности, то есть релятивистская теория пространства, времени и гравитации (1915-1916), в свою очередь, не только предопределенная ньютоновскими динамическими законами, но и сама определяющая эти исходные классические законы со всеми их теоретически ожидаемыми уточнениями, привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще: Метагалактика, или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое, стала описываться однородной и изотропной безграничной (сферически замкнутой) релятивистской космологической моделью.

Следует упомянуть еще одного видного французского ученого Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912), который независимо от Эйнштейна развил математические следствия "постулата относительности".

Первой релятивистской космологической моделью была предложенная самим Эйнштейном стационарная конечная сферически замкнутая модель с положительной средней плотностью массы или эквивалентной ей энергии, сохраняющая свою стабильность за счет уравновешивания общей гравитации (или, по существу, ньютоновского всемирного тяготения в виде квазиупругой силы Гука).

Затем российский физик, геофизик и космолог Александр Александрович Фридман (1888-1925) получил целую серию нестационарных однородных и изотропных релятивистских космологических моделей, систематически равномерно расширяющихся или сжимающихся, а также циклически пульсирующих, причем не только с первоначально дополнительно постулированной Эйнштейном особой космологической постоянной, но и без нее (1922).

Эйнштейн сначала высказал сомнение относительно теоретической обоснованности космологических моделей Фридмана, но вскоре признал необоснованность своего сомнения.

С другой стороны, американский астроном Эдвин Поуэлл Хаббл (1889-1953), сопоставляя наблюдаемое систематическое копплеровское "покраснение" далеких галактик с их расстояниями от нас, установил, что эти галактики систематически равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, то есть вся наша Метагалактика систематически равномерно расширяется (1929).

Выяснилось, что нашу в среднем достаточно однородную и изотропную Метагалактику, которая систематически равномерно расширяется, действительно, можно адекватно описывать соответствующей релятивистской космологической моделью Фридмана. В итоге Эйнштейн отказался от первоначально дополнительно постулированной им особой космологической постоянной.

Эта третья глобальная (общая) естественнонаучная революция, радикально преобразовавшая прежде всего астрономию, космологию и физику, означала принципиальный отказ вообще от всякого центризма.

Если каждую из этих трех закономерных последовательных глобальных естественнонаучных революций, которые начинались с решения фундаментальных астрономических проблем, сопровождались радикальным пересмотром прежних космологических представлений о наблюдаемом мире или о всей Вселенной в целом (как правило, в направлении, по возможности, все более и более полного преодоления исходного антропоцентризма или эгоцентризма) и завершались подведением или возведением необходимого нового физического фундамента под надлежащие радикально пересмотренные космологические представления обо всем мироздании, персонифицировать по имени ученых, физически завершавших эти революции, то рассматриваемые революции условно можно назвать аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

Человек, действительно, не является центром Вселенной, но вся непосредственно наблюдаемая нами огромная по своим пространственно-временным масштабам и систематически расширяющаяся Метагалактика, со всеми ее галактиками типа нашей Галактики, содержащими звезды типа нашего Солнца, с околозвездными планетными системами типа нашей околосолнечной планетной системы, с планетами типа нашей Земли, оказывается типичной обитаемой космической системой, именно с такими основными характеристиками, которые необходимы и достаточны для появления в ней живых организмов типа известных нам и для их развития вплоть до возникновения разумных существ типа нас самих.

В структурно неисчерпаемой Вселенной непосредственно наблюдаемая нами Метагалактика представляет собой, однако, лишь один из бесконечного множества всевозможных квазизамкнутых нестационарных макромиров, которые описываются соответствующими релятивистскими моделями Фридмана. С учетом квантовых представлений о дискретном строении материи каждый из этих, по крайней мере потенциально соприкасающихся друг с другом, квазизамкнутых макромиров, с заведомо доминирующим, во всяком случае в макромасштабах, универсальным фундаментальным физическим взаимодействием -гравитационным (т.е. всемирным тяготением), не только имеет внутреннюю микроструктуру (от которой можно отвлечься именно лишь в макромасштабах), но и снаружи, как бы отпочковываясь от соседних макромиров, при предельном сокращении его внешних размеров и эффективной массы, очевидно, должен представлять собой надлежащий микрообъект тина соответствующих элементарных или даже субэлементарных частиц (античастиц), каждая из которых, с характерными для них и принципиально существенными в микромасштабах специфическими фундаментальными физическими взаимодействиями электромагнитным. слабым или сильным, в свою очередь, потенциально содержит в себе или скрывает за собой целый макромир, то есть Вселенная в целом должна иметь так называемую макромикросимметрию.

Это четвертая глобальная естественнонаучная революция, предопределяемая явно необходимым и безусловно возможным, но окончательно еще никем не осуществленным синтезом доминирующей в макромасштабах континуальной (непрерывной) общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах и столь же обоснованными тем же Эйнштейном квантовыми (дискретными) представлениями о строении материи в искомую многими единую физическую теорию типа уже создаваемой в настоящее время принципиально единой теории всех фундаментальных физических взаимодействий гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного.

Каждый из трех великих преобразователей всего естествознания, какими были настоящие корифеи астрономии, космологии и физики Аристотель, Ньютон и Эйнштейн, не только физически завершил свою космологическую или глобальную естественнонаучную революцию, но и создал необходимые физические и космологические предпосылки для осуществления надлежащей последующей глобальной естественнонаучной революции, что позволяет еще именовать ньютоновскую революцию постаристотелевской, эйнштейновскую постньютоновской, а современную (текущую) - постэйнштейновской.

Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако, понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ее ждет в будущем? На некоторые вопросы мы может ответить сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперед ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого. Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? Неизвестна природа странных объектов, излучающих фантастическое количество энергии из дальнего Космоса. И так далее...

Тем не менее, к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Следует сразу отметить, что одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических событий является то, что над изучаемым объектом нельзя провести контрольного эксперимента. Мы можем наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому, можно сказать, поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Остановимся на физических основаниях космологии и астрофизики. Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности (ОТО), поскольку во Вселенной приходится иметь дело с большими расстояниями, высокими скоростями и огромными массами.

Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. в качестве следствия его формулировки ОТО. Эйнштейн показал, что ОТО однозначно объясняет возможность существования статической вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех ОТО. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что еще из представлений ученых древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердила это. Однако уже в 1922 г. наш соотечественник А. Фридман показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, т.е. развитие Вселенной Он утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. И Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана. К сожалению, работы Фридмана, в частности его книга «Мир как пространство и время», были подвергнуты умолчанию вплоть до настоящего времени. Его работы не переиздавались и не пропагандировались, а автором теории расширяющейся Вселенной объявляется аббат Ж. Леметр, президент Папской академии наук в Ватикане. В значительной мере это связано с идеологической кампанией против «физического идеализма», развернутой в СССР в 30-50-е годы . Стационарная, бесконечная в пространстве и времени Вселенная фигурировала и в философии Канта, Гегеля и Энгельса и была «узаконена» Марксистско-Ленинской философией. Все другие представления были объявлены ошибочными и лженаучными, в том числе и сама теория относительности А. Эйнштейна.

И действительно через какое-то время была создана теория расширяющейся Вселенной, причем она была подтверждена экспериментально. Из телескопических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. Как мы уже указывали в главе 1.4 по красному смещению, точнее смещению световых лучей к красному концу видимого спектра, можно определить движение объекта относительно наблюдателя. В более общем виде - это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. Например, звуковой сигнал движущегося поезда относительно неподвижного наблюдателя на платформе будет выше, когда поезд приближается к нему, и ниже, когда удаляется. Так вот, экспериментально наблюдались и измерялись радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик методом эффекта Доплера. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас - то к красному концу.

При анализе изучения далекий галактик получился удивительный результат: у всех галактик наблюдается красное смещение! Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно и до сих пор причина этого не выяснена):

где S - лучевая скорость, r - расстояние до объекта, Н - постоянная Хаббла, равная ~(3 - 5)×10 -18 c -1 и названная так в честь Э. Хаббла, который в 1929 г. экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из Н можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/H), который оценивается 10-20 миллиардов лет. В 1997 г. появились данные измерений расстояния до галактики Н100 в созвездии Девы, что Н больше, чем предполагалось, и тогда возраст вселенной составит 8 миллиардов лет. Кстати по данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

Если все галактики удаляются от нас, то возникает вопрос: не занимаем ли мы особого положения во Вселенной? Простой физический опыт не дает оснований полагать, что это так. Предположим, что мы надуваем воздушный шарик, на поверхности которого равномерно нанесены пятнышки. По мере того как шарик будет раздуваться, наблюдателю, находящемуся на одном из пятнышек, будет казаться, что все другие пятнышки удаляются от него. Более того. ему будет казаться, что более далекие пятнышки удаляются значительно быстрее, чем те которые расположены близко. Такие же результаты получаются, естественно, при наблюдении из любого другого пятнышка. Таким образом, при однородном расширении будут увеличиваться все расстояния между пятнышками. Поэтому изменение красного смещения обычно трактуется как очевидное доказательство, что Вселенная расширяется. Так как расширение, по-видимому, происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной явно выделить нельзя. Естественно остается много вопросов: почему Вселенная расширяется, будет ли она расширяться дальше или сожмется? Конечна она или бесконечна? Как образуются галактики, из чего состоят? И т.д.

Не останавливаясь подробно здесь на других ранних моделях, напомню все же, что в историческом аспекте первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой была неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх Самосский в III веке до нашей эры предложил гелиоцентрическую систему, возрожденную польским священником Коперником в 1514 г. Сюда же можно отнести и античную систему Птоломея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. Кстати, «модернизацией» этой модели занимались и Кеплер (эллиптические орбиты вместо круговых) и Галилей. Все это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII веке. Уже в это время (а идеи Джордано Бруно еще ранее - XVI век) возникли представления о бесконечной Вселенной. В XIX веке они развились в представления Платона о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель, которая по сути близка статической Вселенной Эйнштейна.

Предполагалось, что пространство - абсолютно, однородно и изотропно, а время - абсолютно и однородно, т.е. использовались строительные материалы классической механики и евклидовой геометрии. Это, кстати, устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном так и во временном понимании. Бог создал и все! Кстати, с материалистической точки зрения можно предположить, что теологии - это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялись как жесткий каркас (они же абсолютные!) и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Выражаясь на гуманитарном языке, можно сказать - оставались «равнодушными» на такой сцене жизни. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала некоторый дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла согласно как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм). Как мы уже знаем, в СТО и ОТО Эйнштейн предположил, что пространство и время не абсолютны, а относительны и связаны между собой, причем скорость передачи взаимодействия конечна и равна скорости света с. Было показано, что геометрия пространства и времени не является евклидовой и определяется наличием материи в данной области. Пространство и время приобретают динамические свойства, им приписывается кривизна, которая влияет на характер движения тел в данной области и которая сама зависит от наличия и движения тел. Пространство и время - уже не «равнодушная» сцена событий, а активные участники, влияющие на события, регулирующие их.

В настоящее время существует много космологических теорий, и нельзя, естественно, сказать, что уже установлена истина в последней инстанции, учитывая еще указанную сложность астрофизических и космологических экспериментов. Однако одна из современных таких теорий - теория Большого взрыва (Big Bang) - смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 10 25 г/см 3 и температурой свыше 10 16 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 г. нашим соотечественником Г. Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и по сему поводу, естественно, до последнего времени замалчивался советской официальной наукой. В то же время ему принадлежат по крайней мере три научных результата «нобелевского ранга»: модель БВ, предсказание температуры реликтового излучения и генетического кода ДНК. Кроме того он был отличным популяризатором науки и опубликовал более 20 прекрасных научных книг.

В то же время неизвестно достоверно - как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2 ×10 9 лет тому назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва (ТБВ). Заметим здесь, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия. Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория БВ согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Рассмотрим варианты объяснения образования сгустка. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~ 1 атом/см 3 , однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ), как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел наш астрофизик И. Шкловский. Первоначально это излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия фотонов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Г. Гамов как раз и рассчитал температуру реликтового излучения. По расчетам она составляет 3К, согласно современным данным 2,7 К.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Сгусток есть ни что иное как сама Вселенная, и Земля находится внутри нее. Внутри же сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли (вспомним шарик с пятнышками), или от любого куска вещества в сгустке. Поэтому излучение сгустка бомбардирует Землю со всех сторон. Любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~10 10 лет, то огромная начальная температура уменьшилась согласно теории, к настоящему времени до средней температуры Вселенной порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3К, должен приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория БВ верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3К и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным. Начиная с 1965 г. проводились многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей Т = 3К. Таким образом, получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше? ОТО предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток. Тем самым готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что дают эксперименты? Они, конечно, очень не простые, скорее оценочные, так как кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии в звездах, галактической пыли и газе необходимо учитывать вещество и в межгалактическом пространстве. А вот с этим как раз большая неопределенность. Прямые эксперименты затруднены тем, что межгалактический водород почти полностью ионизирован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения и вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать поглощения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто подтверждается. Получается, что мы живем в такой вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

Рассмотрим, каким предполагается поведение горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва. Известный наш теоретик, занимавшийся в том числе и астрофизикой, Я.Б. Зельдович заметил, что теория БВ в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели много противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Однако вспомним определение Эйнштейном здравого смысла!

Успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, о которых мы говорили ранее, но и с тем, что, как оказалось, физикой микромира, в том числе физикой элементарных частиц, можно непротиворечиво объяснить поведение «ранней» Вселенной, причем, как это не парадоксально звучит, буквально по долям микросекунд (и даже более того, отсчет идет от 10 -43 с). Поэтому в этом разделе рассмотрим кратко и имеющиеся представления о физике элементарных частиц. Вообще же, по существу сейчас возникла новая наука - космомикрофизика. В космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва, расширяющейся и пульсирующей Вселенной, а также и строение материи в виде элементарных частиц и понятия устойчивости-неустойчивости материи, ее симметрии-асимметрии, самоорганизации и эволюции. Модель горячей Вселенной описывает ее как «котел кипящих элементарных частиц».

Каков же сценарий, как любят говорить космологи, развития событий по модели БВ и горячей Вселенной? Сразу после БВ Вселенная представляла собой огненный шар из элементарных частиц и фотонов (свет) огромных энергий со взаимными превращениями. Дальше Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~10 25 г/см 3) и температурах (~10 16 К) вещество состоит только из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица- античастица). Вообще говоря, чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях. В этой модели поведения Вселенной можно установить взаимосвязь между плотностью, температурой и временем жизни вселенной:

, (1.6.2)

где r - среднее значение плотности материи во Вселенной в момент времени t (с) от начала расширения;

Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образующих новую Вселенную меняется при ее расширении. Когда Вселенной «исполнилось» 10 -43 с, все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10 -23 с наступило время тяжелых частиц, точнее того, из чего они состоят, - кварков. В это время вся Вселенная состояла из кварков и антикварков. По мере уменьшения температуры и с ростом времени уменьшалось число пар этих тяжелых частиц и за счет аннигиляции они быстро исчезали. Далее еще через 10 -2 с после БВ наступает время легких частиц. Вселенная как бы «омолодилась» и практически состояла из легких частиц - лептонов и излучения ( фотонов). Еще дальше во времени (~1 - 20 c) Вселенная, расширяясь дальше, теряет и эти частицы. При аннигиляции они превращаются в фотоны. Фотонам же не хватает энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, и поэтому излучение преобладает над частицами.

Через ~100 с жизни Вселенной ее температура упала до 109 К и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начинают соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после ВВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. А дальше счет пошел уже на миллионы лет. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы пока не могли образоваться. Затем при уменьшении температуры до 3000 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона становится больше энергии фотонов и тогда начинают образовываться атомы водорода и гелия. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи, Вселенная стала прозрачной. Предполагается, что с тех дальних времен до наших дней эти фотоны (это излучение) заполняют нашу Вселенную. За это время температура упала с 3000 К до 3 К в наше время. Это и есть реликтовое излучение, о котором мы уже говорили. Таким образом РИ несет нам информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнилось «всего» 1 миллион лет. Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной (рис.
).

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникали области, где плотность материи несколько выше. Это, в свою очередь, привело к увеличению гравитационного притяжения в этих областях, а значит к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях испытывали большое число столкновений (объем-то уменьшился!), газ разогревался, шли термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область перестала сжиматься.

Заметим, что хотя теория или модель БВ в целом оправдывает доверие научного мира, но все же некоторые вещи она объяснить не может. Так, она не может объяснить конкретную причину БВ, причину «первотолчка». Кроме того, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, не больше и не меньше. И скорость разлета, и плотность вещества очень близки к критическим значением. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель - сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). Это модель хаотического раздувания в период времени от 10 -43 до 10 -32 с, и связана она с понятием вакуума. Согласно этим идеям, Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике.

По современным представлениям вакуум - особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое «ничто», скрытое бытие, содержащее в потенции всевозможные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие вселенные. В этой модели предполагается, что Вселенная родилась 15-18 миллиардов лет тому назад из вакуума путем спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира?

Вот что говорил по этому поводу упомянутый уже нами Я.Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трехмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуаций негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звезд и в конечном итоге планет и самой жизни».

Стоит также отметить, что модель раздувающейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме - проблеме множественности миров. В частности, один из создателей модели РВ А.Д. Линде отмечает: «Привычный взгляд на Вселенную как на нечто в целом однородное и изотропное сменяется представлением о Вселенной островного типа, состоящей из многих локально-однородных и изотропных минивселенных, в каждой из которых свойства элементарных частиц, величина энергии вакуума и даже размерность пространства могут быть различны».

В этом смысле можно уже по-другому взглянуть на проблему жизни «разумных» существ в других галактиках. Из вышесказанного следует, что другие галактики могут иметь совершенно другие свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно других языках без принципиальной возможности перевода. И дело здесь, как правильно отмечает Ровкин , не в изменении нашего мышления для понимания другой Вселенной, а в изменении структуры, пространственной ориентировки, размерности материального мира, носителя мышления, т.е. нас самих, и все это без представления, как это сделать! Можно отметить, что может быть поэтому свернута программа СЕТI поиска связи с другими «разумными» цивилизациями. Нужны иные принципиальные подходы, до которых человечество на Земле, видимо, не доросло.

Рассмотрим теперь, из чего же состоит вещество Вселенной, из чего состоит тот сгусток, который и привел к Большому Взрыву? В космомикрофизике материя Вселенной представляется состоящей из элементарных частиц, как наименьших структурных единиц вещества. Развивая далее атомистическую модель Демокрита о том, что весь мир состоит из атомов, на современном уровне мы уже должны говорить, что он состоит из взаимодействующих элементарных частиц. Как уже отмечалось, во времена Аристотеля предполагались четыре основные субстанции - земля, воздух, огонь и вода. Все сущее состояло из этих своего рода «элементарных частиц». В дальнейшем к началу 30-х годов нашего столетия наука смогла дать более приемлемое научное описание строения вещества на основе четырех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Используя эти устойчивые и стабильные образования, а также и законы квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их классификацию (таблица Менделеева), образование различных соединений и испускаемых ими излучений. Добавление к ним пятой частицы нейтрино, сначала, кстати, постулированного Паули из-за необходимости сохранения момента импульса при b-распаде, позволило объяснить процессы радиоактивного распада. Поэтому вначале казалось, что названные элементарные частицы и являются как бы основными кирпичиками мироздания.

Однако, к сожалению, приятная простота вскоре исчезла. Не прошло и года с открытия нейтрона (Чадвик, 1931), как был обнаружен позитрон. Он тоже сначала был предсказан Дираком в 1928 г., который показал, что его релятивистское уравнение может описывать как электрон с обычным отрицательным зарядом (-е), так и положительный электрон (+е). Этот позитрон был в дальнейшем в 1932 г. экспериментально обнаружен Андерсеном. Впоследствии сначала в природных космических лучах, а затем и в построенных ускорителях были обнаружены и другие частицы - мезоны, пионы и т.д. Таких частиц сейчас насчитывается уже более двух сотен.

Релятивистской квантовой теорией было установлено, что любой элементарной частице соответствует античастица в том смысле, что имея одинаковые массы, периоды полураспада, а также одинаковые квантовые числа, они проявляют противоположные электромагнитные свойства. Таким образом возникла глобальная проблема частица - античастица. Простой пример - разные по знаку заряда частицы. Причем при столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. они взаимно уничтожают друг друга и при этом выделяется энергия в виде квантов электромагнитного излучения ( фотонов). Заметим, что фотоны, нейтральные пионы и η°-мезоны тождественны собственными античастицам, т.е. эти частицы и их античастицы не различимы. Все это множество частиц и принято называть элементарными частицами. Следует подчеркнуть, что это не означает, что все они обязательно являются упомянутыми кирпичиками мироздания - для этого достаточно протонов, нейтронов и электронов, из них состоят атомы. Но эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества и участвуют в этих взаимодействиях, т.е. их тоже необходимо учитывать.

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика, которая позволила бы просто и ясно объяснить взаимную связь элементарных частиц? Физики - тоже люди, и они упорно верят в то, что природе присуща внутренняя гармония и существует единый принцип, который, когда его откроют, позволит построить общую картину и систематизировать это обилие частиц.

В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их деление на два класса: сильновзаимодействующих (адроны) и слабовзаимодействующих ( лептоны). Адроны делятся так же на мезоны и барионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Θ, Ω). Название гипероны происходит от греческого «гипер» - выше, так как они тяжелее протона, барионы - греческого «барис» - тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Барионам приписывается особое число В = 1, антибарионы имеют В = -1. В теории элементарных частиц показывается, что существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон - это барион, а электрон - лептон. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут также разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (1/2) (электрон, нейтрон, мюон, протон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0 или 1) спином (пион (π-мезон), каон (К-мезон), фотон). Фермионы всегда, без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по нескольку частиц.

В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику - странность S , для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность сохраняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементарных частиц. К концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.

Развитием этого поиска явилось еще одно изобретение Гелл-Манна (1963), а затем, независимо от него, Цвейга (1964) - модель кварков. В этой модели предполагается, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (которые называются кварками) и их античастиц. Название «кварк» взято Гелл-Манном из туманной фазы романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка». Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный ±1/3 е или ±2/3 е , и барионное число (заряд), тоже дробное, равное ±1/3. Обозначения кварков и антикварков, а также их параметров даны в таблице.

Свойства кварков

	Символ	Заряд q	S	Барионное число B	s
Kварки		+2/3 e	0	1/3	1/2
		–1/3 e	0	1/3	1/2
		–1/3 e	–1	1/3	1/2
Антикварки		–1/3 e	+1	–1/3	1/2
		+1/3 e	0	–1/3	1/2
		–2/3 e	0	–1/3	1/2

Таким образом, основные свойства кварков - заряд q (+2/3 е , -1/3 е , -1/3 е ), странность S (0, 0, -1), барионное число В (1/3, 1/3, 1/3) и спин s (1/2) не похожи на свойства других частиц. Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью. Предполагается, что, например, барионы построены из трех кварков, а мезоны - из двух кварков (кварк - антикварк). Реальны ли кварки в действительности или эта модель служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена физического реального смысла? Пока это неизвестно. Кстати, последними исследованиями показано, что кварки не являются самыми «неделимыми». Обнаружены уже протокварки.

Тем не менее, несмотря на то, что экспериментально кварки в свободном состоянии не обнаружены, в теории элементарных частиц существует так называемая «стандартная модель». Согласно этой модели кварки различаются «ароматом»: u (от up - верхний), d (от down - нижний), s (от strange - странный), с (от charm - очарование), b (от beauty - красота), t (от truth - истинный). Кроме того кварки разделяются еще по одному параметру, который назвали «цветом». Для каждого кварка существует три «цвета»: красный, желтый и синий. Ясно, что к реальному цвету этот признак не имеет никакого отношения, так же как и «аромат» к реальному обычному запаху. Современные представления о природе таковы, что в рамках этой «стандартной модели» существуют всего три поколения кварков, лептонов и нейтрино, которые и представляют собой начальный уровень структурной организации материи.

Остановимся теперь на характере взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия по сути своих названий относятся к силам, возникающим в гравитационных и электромагнитных полях. Заметим еще раз, что несмотря на «приоритет» гравитационного взаимодействия, количественно установленного еще Ньютоном, природа его до сих пор не является полностью определенной и на самом деле не ясно, как передается это действие через пространство.

Ядерные силы, относящиеся к сильным взаимодействиям, действуют на малых расстояниях в ядрах и обеспечивают их устойчивость, несмотря на отталкивающие действия кулоновских сил электромагнитных полей. Поэтому ядерные силы являются в основном силами притяжения и действуют между протонами (р-р), нейтронами (n-n). Существует также протон-нейтронное взаимодействие (p-n). Поскольку эти частицы объединены в одну группу нуклонов, то это взаимодействие нуклон-нуклонное. Слабые взаимодействия проявляются в процессе ядерного распада или более широко - в процессах взаимодействия электрона и нейтрино (оно может существовать также и между любыми парами элементарных частиц). Как мы уже знаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействия меняются с расстоянием как 1/r 2 и являются дальнодействующими. Сильное ядерное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитационное.

Этим основным взаимодействиям соответствуют четыре мировых константы. Заметим, что подавляющее число физических констант имеют размерности, зависящие от системы единиц отсчета, например в СИ заряд электрона е = 6 ×10 -19 Кл, его масса m = 9,1 ×10 -31 кг. Оказалось, что в различных системах отсчета основные единицы имеют не только различные размерности, но даже и численные значения. Такое положение не устраивает науку, так как, естественно, хотелось бы иметь безразмерные константы, не связанные в общем-то с условным выбором исходных единиц систем отсчета. Кроме того, фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В этом смысле теоретическую физику, действительно, нельзя считать самодостаточной и законченной для объяснения свойств природы, пока проблема, связанная с мировыми константами, не будет понята и объяснена .

Анализ размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных физических теорий. Однако, если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т.е., другими словами, сформулировать унифицированную научную картину мира от микро- до макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т.е. «истинно» мировые константы. Это и есть константы основных взаимодействий.

Константа гравитационного взаимодействия

(1.6.4)

Константа электромагнитного взаимодействия

(1.6.5)

Константа сильного взаимодействия

где g - цветовой заряд, причем . Индекс «s» - от английского слова «strong» (сильный).

Константа слабого взаимодействия

(1.6.7)

где g ~ 1,4 ×10 -62 Дж ×м 3 - константа Ферми. Индекс «w» - от английского слова «weak» (слабый). Заметим, что размерную константу гравитационного взаимодействия получил еще сам И. Ньютон : G ~ 6,67×10 -11 м 3 ×c 2 ×кг -1 для сил гравитационного взаимодействия

F = G Mm/R 2 . (1.6.8)

Мы помним также, что закон всемирного тяготения (1.6.8) недоказуем, так как получен путем обобщения опытных фактов. Причем абсолютная справедливость его не может быть гарантирована до тех пор, пока не станет ясным сам механизм тяготения. Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы - фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Константа сильного взаимодействия количественно определяет взаимодействие барионов. Константа слабого взаимодействия связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.

Таким образом, считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное - удерживает планеты на их орбитах и тела - на Земле. Электромагнитное - удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых, в том числе, состоим и мы сами. Слабое - обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих констант приводит к разрушению устойчивости одного или нескольких структурных элементов Вселенной. Например, изменение массы покоя электрона m 0 от ~0,5 МэВ до 0,9 МэВ приведет к невозможности энергетического баланса в реакции образования дейтрона в солнечном цикле. Дейтрон - атом водорода, состоящий из протона и нейтрона. Это «тяжелый» водород с А = 2 (тритий имеет А = 3). Уменьшение α s всего на 40% привело бы к тому, что дейтрон был бы не стабилен. Увеличение же делало бы стабильным бипротон, что привело бы к выгоранию водорода на ранних стадиях эволюции Вселенной. Константа α e изменяется в пределах . Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение α w приводит к уменьшению времени жизни свободного нейтрона. Это, в свою очередь, означает, что на ранней стадии Вселенной не образовался бы гелий и не было бы реакции тройного слияния α-частиц при синтезе углерода (). Тогда вместо нашей углеродной была бы водородная Вселенная. С другой стороны, уменьшение α w привело бы к тому, что все протоны оказались бы связаны в α-частицы.

В современном естествознании предполагается, что мировые константы стабильны начиная со времени 10 -35 с с момента рождения Вселенной, и что таким образом в нашей Вселенной как бы существует очень точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловливающих существование ядер, атомов, звезд и галактик. Возникновение и существование такой ситуации не ясно. Тем не менее, эта «подгонка» (константы именно такие, какие они есть!) создает условия для существования не только сложных неорганических, органических и живых структур, но, в конечном счете, и человека .

Так из чего же все-таки состоит вещество Вселенной? Как ни странно, теоретическая физика, с точки зрения рассмотренной нами теории элементарных частиц, с ее могучим аппаратом и не менее могучими моделями отвечает: до 90% вещества Вселенной находится в неизвестном нам состоянии. Было установлено, что протоны и нейтроны образуют либо ядра различных атомов, либо громадные скопления нейтронных звезд. Поэтому в рамках «стандартной модели» кварков формы стабильной материи рассматриваются в виде двух групп: ядра атомов, имеющие массу не более 300 атомных единиц, и нейтронные звезды, имеющие структуру ядра (т.е. состоят из нейтронов и протонов), но с массой в 10 54 раз большей. Эти группы разделены огромным пробелом, состоящим предположительно их так называемой «странной» материи, в котором, может быть, находится до 90% всей массы Вселенной (рис.
).

Наличие возможности существования такой странной материи в кварковой модели строения вещества отчасти подтверждается выводом из наблюдений дальних галактик о невозможности наблюдения многих космологических объектов обычными астрофизическими методами. Это связано, в частности, с тем, что гравитационные поля видимых звезд или скоплений звездной пыли, по-видимому, недостаточны для создания условий из движения по наблюдаемым нами траекториям. Имеется как бы «скрытая» от наблюдателя масса. Э. Уитмен в 1984 г. высказал предположение, что эта «скрытая» масса состоит из материи, содержащей уже упомянутый S-кварк. Он как раз и называется странным кварком. Предполагается, что эта материя из странных кварков возникла в течение первой миллионной доли секунды после БВ, причем диаметр таких образований составлял от 10 -7 до 10 см, масса от 10 9 до 10 18 г, а число кварков от 10 33 до 10 42 . Из-за малых размеров и огромной плотности вещества (например, теннисный мяч из такой же материи весил бы 10 12 тонн) оно не проявляет себя в видимом диапазоне световых волн.

Для такого космологического объекта американским физиком Уилером в 1969 г. был предложен термин «черная дыра» (ЧД). ЧД - это объект, у которого такое большое гравитационное поле, что он ничего (в том числе и излучение) от себя не отпускает. Наступает факт «пленения» света. Кстати, еще в 1798 г. Лаплас говорил об объектах с огромной гравитацией, которые будут абсолютно черными для внешнего наблюдателя. ОТО показывает, что для таких полей масса объекта М должна соответствовать так называемому гравитационному радиусу R или радиусу сферы Шварцшильда, который первый решил уравнение Эйнштейна для поля тяготения сферического тела:

Этим расстоянием будет определяться горизонт событий. Для Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для Земли - 1 см. Однако ни Солнце, ни Земля до таких размеров самопроизвольно не уменьшатся.

Предполагаются два варианта образования ЧД в процессе эволюции звезд. Первый - для звезд с массой больше двух масс нашего Солнца. По мере старения звезды ядерное топливо (водород) сжигается и гравитационное притяжение уже не может уравновеситься давлением за счет горения топлива. Звезда сжимается и превращается в ЧД. Второй - для малых звезд массой значительно меньшей массы Солнца. В начальные моменты жизни Вселенной плотность материи огромна, и малые неоднородности вещества создавали большие неоднородности гравитационного поля, это могло приводить к образованию ЧД в малых областях пространства. Кстати, по одной из гипотез, Тунгусский метеорит - микрочерная дыра (по космическим масштабам), «вошедшая» в Землю в районе поселка Ванавара в Сибири и «вышедшая» из нее в районе Бермудских островов («Бермудского треугольника»).

Наличие такого огромного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т.е. ЧД искривляет пространство и тормозит время. Как отмечал Б. Паркер, «Попав в ЧД, наш наблюдатель не сможет сообщить о том, что видит: он все время будет приближаться к ее центру... в центре будет находиться то, что осталось от звезды после коллапса - сингулярность (нулевой объем). По мере приближения к сингулярности наблюдатель заметит, что пространство и время поменялись ролями. По «нашу» сторону горизонта событий мы можем управлять пространством, но не временем: время течет одинаково независимо от наших действий. Но за горизонтом, как ни странно, можно управлять временем, но не пространством - нас затягивает сингулярность, хотим мы этого или не хотим. Оказавшись с ней рядом, мы поймем, что нас ждет та же судьба, что и звезду - нас сожмет до нулевого объема». В этом смысле ОТО описывает звезду как «кладбище» всего того, что ЧД успела захватить.

Кто бы мог подумать, что мы
будем так много знать и так
мало понимать.

А. Эйнштейн

Раз мы заговорили о попытках единого описания всех физических явлений, следует вкратце упомянуть о моделях единого физического поля (ЕФП). Такие попытки неоднократно предпринимались, начиная с Эйнштейна. Хотя до настоящего времени этой теории нет, можно отметить, что С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и Э. Салам в 1967 г. показали, что слабое и электромагнитное взаимодействия есть одно и то же электрослабое (так они его назвали) взаимодействие, проявляющееся при энергиях свыше 100 ГэВ. При меньших энергиях спонтанно нарушается симметрия между ними, и в обычных условиях мы наблюдаем их как разные поля и взаимодействия. Ш. Глэншоу и Г. Джордан в 1979 г. предположили, что при энергии свыше 10 14 ГэВ слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия также объединяются. Это так называемая первая теория Великого объединения (ТВО). По этой теории лептоны могут переходить в кварки и наоборот.

Однако, как мы помним, кварки имеют барионный заряд, не равный нулю, а у лептонов В = 0. Следовательно, здесь уже при таких превращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Кроме того возникает вопрос, насколько стабилен протон, время жизни которого составляет порядка 10 30 -10 32 лет. По сравнению с временем существования Вселенной (~10 10 лет) это время жизни протона значительно больше, чем возраст нашей Вселенной.

Если это действительно так, то возникает гипотеза, что вещество во Вселенной может быть не стабильно. Кроме того ТВО «разрешает» существование в свободном состоянии кварков, и тогда они действительно являются фундаментальными частицами. И наконец, при энергиях свыше 10 19 ГэВ возможно включение в общую схему объединения взаимодействий и гравитационных полей. Это и есть модель (или теория) супергравитации или суперсимметрии. Здесь происходит объединение симметрии ОТО. Частицами-переносчиками должны быть безмассовые частицы со спином s = 2, называемые гравитонами, о которых мы уже упоминали.

Физический вакуум порождает виртуальные (возможные) частицы, которые своей массой создают дополнительное поле тяготения. Согласно ОТО, в этом же месте и в тот же момент времени изменяются геометрические свойства пространства-времени, т.е. оно флуктуирует. Согласно такой модели, гравитон - это квант флуктуирующего пространства-времени, объединяющий в себе и элементарную частицу, и волну искривления, распространяющуюся по четырехмерному миру. Эффекты, связанные с этим, должны проявляться на так называемых планковских расстоянии и времени , соответствующая масса . Индекс «р» обозначает, что эти параметры - соответствуют планковским расстоянию, времени и массе. Отсюда делается вывод, что в ранние моменты существования Вселенной пространство-время было дискретным, квантованным, как это следует из физического смысла константы Планка.

Волну искривления пространства связывают в теории супегравитации с моделью суперструн. В этой модели в качестве элементарной основы мира берутся уже не описанные элементарные частицы, а элементарные процессы - колебания бесконечно длинных струн с очень малым диаметром. При этом могут возникать резонансы колебаний разных струн и вихри в пространстве, которые можно связать с ритмикой Космоса, циклическими процессами во Вселенной, оказывающими влияние на все процессы на Земле .

В теории супергравитации также показывается, что, согласно Т. Калуце (1921 г.) и О. Клейну (1926 г.), электромагнитное поле можно рассматривать как некое геометрическое свойство дополнительного пятого измерения пространства-времени. Не вдаваясь в теоретические тонкости, отметим, что это ненаблюдаемое пятое измерение сворачивается (компактифицируется) до малых ненаблюдаемых размеров. Это приводит к геометрическим симметриям, связанным с семью дополнительными измерениями пространства, компактифицированными в семимерную сферу. Тогда можно предположить, что мы живем в 11-мерной Вселенной. Это - три видимых пространственных измерения, семь невидимых, свернутых в пространстве, и время. Таким образом, новая и последняя на сегодняшний день в теоретической физике безразмерная константа - размерность Вселенной N = 11.

Свертка ненаблюдаемого измерения может быть качественно понята из приведенного примера бесконечно длинной струны, которую мы видим в одном измерении - длине. Микрообъекты рассматриваются уже не как точечные, а как одномерные. Исчезновение размерности можно также увидеть при свертывании плоского листа в цилиндр или в ленте Мебиуса, в которой происходит непрерывный переход с внешней поверхности листа на внутреннюю.

В связи с теорией ЕФП в настоящие время рассматривается также возможность существования кванта единого пространства-времени, который называется st (space - time)-квантом :

(1.6.10)

Если st-квант действительно существует, то это приводит к интересным выводам: в «объеме» st-кванта нарушены причинно-следственные связи. События, происходящие в st-кванте могут быть растянуты во времени, но сжаты в пространстве и наоборот. На уровне st-кванта пространство-время непрерывно творит само себя с изменяющимися в каждом акте топологией, физическими свойствами и законами из-за неопределенности пространства-времени. Спонтанные флуктуации пространства-времени могут привести к нарушению закона сохранения энергии. Предполагается, что в эти особые моменты, по-видимому, и произошел БВ. И наконец, существует возможность существования непрерывного множества виртуальных вселенных.

Существуют и другие попытки описать многомерность пространства, представить его расслоенным и даже мнимым в окрестностях черных дыр, когда объект пересекает сферу Шварцшильда . При этом частица, не наблюдаемая в одном пространстве, может наблюдаться в другом, и поэтому частицы тахионы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, и тардионы, движущиеся со скоростями, меньшими скорости света, существуют в разных расслоенных пространствах, и принцип причинности не нарушается. Имеется также гипотеза Ю. Иванова о частотном пространстве . Согласно этой модели трехмерному геометрическому пространству сопоставляется сферическое частотное пространство, шаровыми слоями которого являются: не видимая человеческим глазом ультрафиолетовая область (УФ) спектра, видимая область спектра (оптический диапазон), невидимая инфракрасная область (ИК) спектра (рис.
). Тогда появление неопознанных летающих объектов (НЛО), «материализацию» или, наоборот «дематериализацию» различных физических объектов Ю. Иванов объясняет переходом из одного частотного пространства в другое. В связи с такой гипотезой предполагается, что рядом с нами в УФ- и ИК-областях частотного пространства процессы, в том числе и само время, могут протекать по-иному и, следовательно, может существовать другая, быть может, разумная жизнь.

Другой ультрасовременной моделью строения пространства является попытка заполнить его кубами с планковскими размерами, внутри которых каким-то образом вращаются взаимно противоположно петли времени С. Хокинга, переходы между которыми в известном смысле, и соответствуют переходам от одного пространства к другому. Все эти модели, конечно, являются умозрительными и требуют дальнейшего доказательства и экспериментального подтверждения. Как сказал Р. Фейнман, «многие физики трудятся над создание великой картины, объединяющей все в одну сверхмодель. Это восхитительная игра, но в настоящее время игроки никак не договорятся о том, что представляет собой эти великая картина».

В связи с уже упомянутой ранее «подгонкой» мировых констант встает вопрос не только о пределах изменения их значений в отдельности, но и об изменении в целом всего набора этих констант, позволяющем судить об устойчивости структуры Вселенной.

Следует заметить, что с общечеловеческой точки зрения разумным ограничением изменения набора констант в целом является сохранение условий для возникновения и существования жизни. Попыткой ответа на вопрос, что же определяет столь точную «подгонку» мировых констант, что реализует существование сложной структуры Вселенной и образование жизни вообще, стало применение скорее гуманитарного, чем естественнонаучного антропного принципа (АП), согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека.

Антропный принцип впервые в 1958 г. был предположен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

Слабый антропный принцип . На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

Сильный антропный принцип . Свойства Вселенной должны быть такими, что бы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражаются через фундаментальные постоянные и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной, а теперь мы можем сказать, что и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного, в центральный, приоритетный. «Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна» .

Заметим также, что антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных. Однако эволюция может происходить без наблюдателей, и, следовательно, жизнь в нашем понимании в них невозможна. При использовании антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что, с точки зрения современной физики, доказывает существование множества миров.

Кроме того, АП приводит к мировоззренческим уточнениям не только по множественности обитаемых Вселенных, но и по множественности существования жизни в нашей Вселенной. Как справедливо указывалось в , вопрос о существовании жизни в нашей Вселенной в свете антропного принципа приобретает новую окраску. Он означает, что наша Вселенная чрезвычайно тонко приспособлена для возникновения и существования жизни. Можно было бы подумать, что это относится к отдельной достаточно крупной, но все же локальной области Вселенной, где в силу случайной флуктуации создались условия, необходимые для существования жизни. Но как мы уже говорили, предполагается, что Вселенная однородна и изотропна, т.е. ее свойства в больших масштабах одинаковы. Следовательно, когда мы говорим о чрезвычайно тонкой приспособленности Вселенной для жизни, речь идет не о локальных областях, а обо всей Вселенной в целом. Таким образом, применение АП приводит к выводу о закономерном возникновении и широкой распространенности жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип, с точки зрения физики и философии, «отвергает» возможность уникальности земной жизни. Проблемы множественности миров неоднократно обсуждались на всех этапах человеческого общества. Например, Анаксагор выступил с идеей о гониометриях, каждая из которых содержит в себе все свойства Вселенной. Другой пример признания множественности миров дает нам Джордано Бруно, сожженный, как известно, инквизицией за эту идею.

В современном естествознании к этой идее приводит ОТО, одним из выводов которой является представление, что наш мир снаружи может выглядеть как микрочастица. Такие объекты наш соотечественник А.А. Марков назвал фридмонами. Дальнейшее развитие идей о множественности миров привело к пониманию, что Земля находится не в центре Солнечной системы. Х. Шекли показал, что и Солнце находится не в центре Галактики, а вблизи ее края. Хаббл и другие исследователи установили, что наша Галактика не только не является центром Вселенной, но и более того, у нашей Вселенной вообще нет пространственного центра - все ее точки эквивалентны. Как уже упоминалось, совсем недавно мы стали понимать, что состоим не из основной материи Вселенной. А расширение Вселенной на ранних стадиях означает, что наша Вселенная - не единственный из раздувшихся «шариков» (Помните наш пример с воздушными шариками?).

Анализ современных теорий физики элементарных частиц, данных астрофизики и космологии показывает необходимость одновременного выполнения некоторых соотношений относительно мировых констант в дополнение к упомянутым уже формулам (1.6.4 - 1.6.7):

(1.6.11)

Это само по себе в обычном понимании довольно противоречиво. Если, согласно , изобразить на плоскости Х, Y, где и , эти неравенства графически, то получается, что неравенствам (1.6.11) удовлетворяют две области (рис.
), соответствующие устойчивым структурам Вселенных. В области 1 образование сложных структур и жизни невозможно, так как минимальная масса в ней - порядка массы протона (m ~10 -5 г).

В области 2 будут выполняться условия для существования нашей Вселенной. В области 3 значения фундаментальных констант отличны от наших, но там тоже могут возникать сложные структуры. Однако зоны, где соблюдаются условия (1.6.11), соответствующие возникновению и наличию жизни, занимают предположительно незначительную часть области 3.

Заметим также, что фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис.
,
). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют микромир с характерными размерами меньше, чем 10 -8 м (элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы), макромир (макромолекулы, кристаллы, жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела) и мегамир (планеты, звезды, галактики). Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. И это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг другу как макро/микро » мега/макро.

Кварки «являются» составной часть протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале разномерности тел, то мы приходим у обычным макротелам и далее - планетам и их системам, звездным скоплениям, галактикам и метагалактикам, т.е. можно представить переход от микро, макро и мега как в размерах, так и физических процессах (моделях). И именно фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего Мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значений и взаимоотношений между ними, по существу и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема казалось бы абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.

Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρ ср была бы близка к критической ρ кр" , так как при время существования нашего Мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть. Такой взгляд коррелирует с моделью развития Вселенной, построенной на положениях классической динамики Ньютона.

Рассмотрим теперь механизм зарождения и развития звезд, а также в связи с этим классификацию звезд и методы их наблюдения. Мы уже отмечали, что согласно гамовской модели БВ все элементы Вселенной образовались в результате термоядерных реакций. Остановимся на этом подробнее. При конденсации звезды из облака межзвездных газа и пыли высвобождается гравитационная потенциальная энергия. Часть этой энергии расходуется на излучение, а остальная часть преобразуется в кинетическую энергию конденсирующих атомов, и, таким образом, повышается температура звезды. При температурах Т ~ 10 7 К и плотности ~ 100 г/см 3 начинаются термоядерные реакции, которые могут идти в зависимости от первоначального состава межзвездной пыли и, следовательно, звезд по двум схемам или цепочкам. Большинство звезд состоит в основном из водорода (60-90% по массе), гелия (10-40%) и тяжелых элементов (0,1-3%). Звезды, в состав которых входят кроме водорода и гелия тяжелые элементы, выброшенные при вспышках так называемых новых или взрывах сверхновых звезд, называются звездами населения I.

Новыми звезды называются потому, что в древности предполагалось, что это действительно новые звезды и до взрыва их нельзя было видеть. На самом деле в некоторых звездах возникают неустойчивости, происходит извержение вещества в пространство и светимость ее резко увеличивается. Частота извержений изменяется от нескольких месяцев до лет. У остальных звезд извержения бывают примерно раз в 1000 лет. Сверхновые звезды фактически связаны со взрывом массивной звезды, что бывает один раз в несколько столетий. За 10 последних веков обнаружено 7 сверхновых звезд. Интенсивность излучения сверхновых звезд в 10 4 раз больше, чем у новых. Наше родимое Солнце с 74% Н, 24% Не и 2% тяжелых элементов есть обычная звезда населения I. Звезды населения II образовались из первичного водорода и гелия и в основном содержат гораздо меньше остаточного материала других звезд. Они содержат много водорода, мало гелия и очень мало тяжелых элементов.

В первой термоядерной реакции, происходящей при конденсации из межзвездной пыли, участвует лишь водород. При достижении указанных температур и плотностей газа происходит реакция слияния (присоединения) двух протонов в результате слабых взаимодействий:

где D 2 - дейтерий, β + - позитрон, v e - нейтрино.

Заметим, что мог бы образоваться изотоп He 2 , но его в природе не обнаружено. Как только в результате реакции (1.6.18) образуется D 2 , начинаются еще две дополнительные реакции:

первая (1.6.19)

и за ней вторая с участием двух ядер He 3

Конечным результатом этой последовательности реакции, которая называется протон-протонной цепочкой, является превращение четырех атомов водорода в один атом гелия (рис.
). фотоны) характеризует более холодное вещество.

В целом фотоны оказывают радиационное давление на внешний слой звездного газа. Как нам уже известно из ОТО, масса m обладает энергией Е = mc 2 . И, наоборот, энергии Е соответствует определенная масса m. Следовательно, электромагнитное излучение с энергией Е обладает эквивалентной ей массой m = Е/c 2 . И поскольку электромагнитное изучение распространяется со скоростью света с, то оно имеет и импульс, согласно (3.8) = mc = E/c, и, следовательно, оказывает радиационное давление. В равновесии действующее на любой малый объем звездного вещества давление, обусловленное гравитацией, уравновешивается радиационным давлением. Как только термоядерные реакции обеспечивают достаточное излучение для того, чтобы уравновесить направленную внутрь гравитационную силу, сжатие звезды прекращается. Тем самым мы снова приходим к пониманию пульсирующей теперь уже звезды, как раньше в целом Вселенной.

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществиться еще одна цепочка реакций, в результате чего также происходит превращение водорода в гелий, а углерод служит как бы катализатором:

(1.6.21)

Таким образом, согласно (1.6.21) три протона захватывают в следующих друг за другом реакциях (ρ, γ) и β-распадах. А после захвата четвертого протона и излучения α-частицы вновь образуется ядро C 12 . Конечный результат этой цепочки тот же, что и в рассмотренной протон-протонной: превращение четырех атомов водорода в один атом гелия. Так как в этой последовательности участвуют и образуются атомы углерода и азота, то ее и называют углеродо-азотным циклом . Если в состав звезды входит углерод и температура выше 2 ×10 7 К, то основным источником энергии является углеродно-азотный цикл. Более массивные и яркие, и поэтому более горячие, звезды выделяют энергию за счет углеродно-азотного цикла. Примером таких звезд является одна из самых ярких звезд северного полушария - Сириус. Основным источником энергии Солнца служит протон-протонная цепочка.

Не останавливаясь далее на деталях физики процессов в звездах, заметим, что в результате других ядерных реакций, в том числе с участием нейтронов (а это образование элементов с атомным номером больше 82), могут образовываться и тяжелые элементы. При реакции образования углерода из трех атомов гелия наблюдается также процесс выгорания гелия по следующей цепочке:

Рассмотрим теперь процесс эволюции звезд. Итак, звезды конденсируются из межзвездной пыли, возникают термоядерные реакции, звезды разогреваются, сжигают свое ядерное горючее и гибнут, взрываясь в виде сверхновых, или просто угасают, превращаясь в куски ядерного пепла. О взаимоотношениях гравитационного и радиационного давлений мы уже говорили. Если эти давления уравновешиваются, то звезда стабилизируется и приобретает характерные для нее размеры и светимость. Астрономы установили, что для того, чтобы проследить за эволюцией звезд, достаточно знать две величины, которые сравнительно легко измерить: собственную светимость и цвет, характеризующий температуру поверхности. Поэтому можно построить в этих координатах зависимость светимости от цвета, и поскольку каждая звезда в любой период жизни имеет определенную светимость и определенный цвет, то она будет точкой на этой диаграмме. Так как звезды разные по времени своего развития, то можно сказать, что в течение жизни звезды точка, ее представляющая, движется по этой диаграмме, описывая некую кривую. Таким образом можно проследить процесс жизни и угасания звезды.

Если же говорить о конкретной динамике поведения звезды, то она зависит только от двух факторов: массы вещества, из которого она конденсировалась, и состава этого вещества. В начальный период жизни звезды играет роль только ее масса. Если сравнивать динамику звезд, химический состав которых подобен составу Солнца, т.е. звезд населения I, то окажется, что на протяжении большей части своей истории эти звезды занимают положения вблизи так называемой главной последовательности (рис. ). Начальное положение звезды зависит от ее массы: более массивные звезды оказываются более горячими и яркими, менее массивные звезды холодные и тусклые. Так как большую часть своей жизни звезда стабильна, диаграмма цвет - светимость для любой группы звезд представляет собой распределение точек вдоль главной последовательности. Однако на этой диаграмме будут наблюдаться и отклонения от главной последовательности. Это связано с начальным составом и массой звезды и ее переходом из одного типа к другому. Солнце перемещается вдоль главной последовательности уже 4,5 ×10 9 лет и будет продолжать это движение дальше 5 ×10 9 лет, а затем перейдет к последним этапам своей эволюции. Более массивные звезды проходят этот путь быстрее, поскольку они расположены на главной последовательности более высоко и время прохождения цикла составляет ~10 7 лет. По мере уменьшения количества водорода внутри звезды она сжимается. Это приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии и поэтому светимость звезды возрастает.

С другой стороны, увеличение энергии приводит к увеличению радиационного давления на внешнем слое звезды, и внешние слои расширяются. В результате этого расширения газ охлаждается, излучаемый свет становится более красным и звезда резко смещается от главной последовательности (рис.). Этот процесс расширения и покраснения идет до тех пор, пока диаметр звезды не увеличится в 200-300 раз, и звезда становится красным гигантом. Примером красного гиганта является звезда Бетельгейзе из созвездия Ориона. Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за огромного количества выделившейся энергии, а затем в результате гигантского расширения поглотит ее останки. Однако заметим, что по расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 миллиардов лет. Время пребывания обычной звезды в виде красного гиганта составляет около 10 7 лет.

Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме светимость - цвет. Этот переход от красного гиганта до пересечения с главной последовательностью составляет примерно 1% от всего времени существования звезды. Солнце, например, пройдет эту эволюцию за 100 миллионов лет. В этот период у большинства звезд нарушается равновесие и они начинают пульсировать, изменяя свою светимость. Это так называемые переменные звезды. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды. Если она меньше 1,4 солнечной массы («легкая» звезда), то при израсходовании ядерного горючего звезда смещается вниз на диаграмме светимость - цвет и в конце концов она охлаждается и угасает. Но при этом она проходит через стадию неустойчивости и происходят периодические извержения и возрастания светимости. Это и есть уже упомянутая стадия новой звезды, которая постепенно переходит в стадию белого карлика, еще более охлаждаясь - красного карлика, и наконец - черного карлика. Эволюция звезды, масса которой больше 1,4 солнечной массы, кончается эффектным гигантским взрывом и это - рождение сверхновой звезды.

Голдом была предложена модель, согласно которой пульсар - это вращающаяся нейтронная звезда. Время жизни пульсара - 108 лет. Механизм возникновения переменного излучения по этой модели состоит в следующем. Электроны и протоны захватываются сверхсильным магнитным полем звезды. Вместе со звездой вращаются магнитное поле и захваченные им частицы (рис.
). Вблизи внешней границы плазмы, которая удерживается этим магнитным полем, частицы движутся со скоростями, близкими к световой. Согласно квантовой электродинамике, они испытывают ускорение и, следовательно, излучают. Это ускорение очень большое, и интенсивность излучения поэтому велика. Следствием релятивистского характера движения частиц является то, что излучение в основном испускается вдоль направления движения частиц. Поскольку вращение происходит вместе с магнитным полем звезды, то она излучает как «прожектор», луч которого обегает небо. При каждом обороте пульсара на Земле наблюдается вспышка.

Черную дыру или слиянии двух черных дыр. При этом выделяется гигантская энергия порядка 10 46 -10 47 эрг в области 10-100 км за время около секунды.

В ноябре 1999 г. в научной печати появилось сообщение об экспериментах на релятивистском коллайдере (ускорителе-сталкивателе тяжелых ионов, в котором частицы разгоняются до скорости, равной 0,99 скорости света) в Брукхевенской национальной лаборатории (США) по получению кварк-глюонной плазии, т.е. такого состояния вещества Вселенной, в котором она находилась в первые мгновения после БВ. Другими словами, можно рукотворно на Земле осуществить этот Большой Взрыв! Это вызвало неоднозначную реакцию даже среди профессионалов-физиков.

Дело в том, что в таких условиях как раз может возникнуть материя из «странных» кварков, начнется неконтролируемая реакция по превращению всей нашей «земной» материи в «странную материю», в новое состояние со сверхплотным веществом и температурой в триллион градусов, и в итоге может образоваться черная дыра. Если теоретики не ошибаются, что рождению Вселенной предшествовал БВ, а экспериментаторы могут воссоздать его на Земле, то об успешности такого моделирования судить уже придется не нам!

Мы уже говорили в связи с проблемой CETI, что молчание далеких цивилизаций и вспышки сверхновых звезд приводят к мысли, что, вероятно, на каком-то уровне знаний уже находились энтузиасты, которым не терпелось побыстрее узнать правду о зарождении Вселенной и даже посоревноваться с природой. Результатом такой спешки и могли быть очередные черные дыры во Вселенной.

В связи с классификацией звезд и происходящих в них атомных и ядерных процессов и испусканием различных излучений остановимся кратко на неоптических методах наблюдений астрофизических объектов. Эти методы наблюдений возникли из-за того, что видимый свет, как мы видели на примере «скрытой» массы, несет не всю информацию о том, что происходит в Космосе. Инфракрасное и рентгеновское излучение сильно поглощаются атмосферой Земли. Нейтрино вообще слабо взаимодействует с веществом. Поэтому для исследования инфракрасного и рентгеновского излучений используют ракеты и спутники, а для наблюдения нейтрино строят глубокие шахты, чтобы максимально защитить детекторы от фона. Например, такая лаборатория до недавнего времени была у нас в Баксанском ущелье на Кавказе. Имеются также проекты использования для этой цели толщи вод Байкала. Правда особых успехов в регистрации нейтрино пока нет. Методами радиоастрономии были обнаружены радиоисточники в нашей галактике, часть которых (около 200) удалось отождествить с видимыми галактиками или звездами. Первый внегалактический источник, расположенный в созвездии Лебедь, обнаружен в 1948 г.

В начале 60-х годов были обнаружены такие радиоисточники, которые оказались связанными не с обычными радиогалактиками, а с необычными голубого цвета объектами, напоминающими звезды. Так как они малы по сравнению с размерами галактик, их назвали квазизвездными объектами или кратко квазарами. Природа их происхождения и строения в настоящее время не ясна. Однако, наблюдая их спектры, обнаружили у них исключительно большие красные смещения. А это, как нам уже известно, связывается с расширением Вселенной. Поэтому можно предполагать, что квазары - наиболее удаленные и быстродвижущиеся объекты во Вселенной. Кроме того, чтобы отдельная квази-звезда имела яркость квазара, она должна излучать фантастическое количество энергии, коло 10 46 -10 47 эрг/с, что в 10 12 -10 13 раз превышает энергию излучения Солнца. В таких условиях квазар за месяц должен испускать количество энергии, соответствующую массе Солнца. Для объяснения такой огромной мощности расхода энергии квазары должны иметь массу, в 10 9 раз превышающую массу Солнца.

На основе изложенных выше положений постнеклассической физики можно сделать некоторые обобщения относительно эволюции Вселенной. В современном представлении пространство не есть однородное и изотропное пустое вместилище материальных объектов, как это предполагалось в классическом естествознании. Пространство взаимодействует с материальными объектами, находящимися в нем, и искривляется вблизи гравитирующих масс. Гравитационное поле выступает как искривление четырехмерного пространства-времени, и в упомянутой модели геометродинамики искривление пространства сложной топологии порождает все многообразие материального мира.

Заметим также, что в теории раздувающейся Вселенной (РВ), связанной, как мы говорили, с возникновением материального мира из знания, мы не должны «навязывать» Природе свои законы, удобные и понятные нам, может быть, не свойственные природе. Используя не опровергнутые физические законы, разрабатывая новые модели, мы приходим на новом витке знаний к пониманию того, что наш мир холистичен и познавать его надо с этих позиций.

Что касается физики Вселенной, то можно сказать, что в настоящее время мы имеем о ней некоторые представления, накопили много сведений о конкретных физических явлениях, тем не менее ощущается, что вопросов больше, чем ответов. Постановка важного и правильно сформулированного вопроса означает шаг по пути познания законов Природы, так как мы начинаем понимать, в каком направлении нам двигаться и как искать эти ответы. Несомненно, в будущем мы получим еще больше ответов, в том числе и на те вопросы, которые мы здесь кратко обсуждали, но, естественно, что мы встретимся и с новыми фундаментальными проблемами. Однако в этом - сущность научного познания мира, в том числе и на основе физики. В этом и очарование той же физики.

Основные понятия, включенные в систему тренинг-тестирования:

Вселенная (Универсум) ;метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; антропный космологический принцип (АКП); гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».

Вселенная (Универсум ) - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой , или нашей Вселенной. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд. световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 триллионов км.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология - один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология- это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии - весь окружающий нас мегамир, вся "большая Вселенная", ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные "протозвездные образования" с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной . Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10- 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую "ядерную каплю". По каким-то причинам эта "капля " пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется Большим взрывом .

При данной оценке времени образования Вселенной предполагалось, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной - гигантской "ядерной капли", пришедшей в состояние неустойчивости.

В настоящее время космологи предполагают, что Вселенная не расширялась "от точки до точки", а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Современная космология располагает рядом аргументов в пользу картины “пульсирующей Вселенной". Такие аргументы, однако, носят чисто математический характер; главнейший из них -необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос какая из двух гипотез - "ядерной капли" или "пульсирующей Вселенной" - справедлива, мы сейчас не можем. Потребуется еще очень большая работа, чтобы решить эту одну из важнейших проблем космологии.

Идея эволюции Вселенной сегодня представляется вполне естественной. Так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления. Рассмотрим, какие этапы прошло развитие науки о Вселенной в ХХ столетии.

Современная космология возникла в начале XX в. после создания релятивистской теории тяготения. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштейном в 1917 г. Однако она описывала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922- 1924 гг. советским математиком А.А. Фридманом были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Звездные системы не могут находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться. Такой результат - неизбежное следствие наличия сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься (модель пульсирующей Вселенной). Отсюда следовал пересмотр общих представлений о Вселенной. В 1929г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью астрофизических наблюдений открыл расширение Вселенной , подтверждающее правильность выводов Фридмана.

Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - у сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением . К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.

Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные . Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя (Б. Картер, Р. Дирак). Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существования в нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета. Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л.Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции, проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур - от космических до социальных.

Вселенную в целом изучает космология (т.е. наука о Кос­мосе). Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гар­мония», в противоположность хаосу - «беспорядку». Таким образом, десмология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функ­ционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-пер­вых, формулируемые физикой универсальные законы функцио­нирования мира считаются действующими во всей Вселенной. 3 Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека.

Выводы космологии называются моделями происхождения и раз­вития Вселенной. Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является пред­ставление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

Принято считать, что основные положения современной космологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Данная модель характеризовала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

1.3. Теория относительности и космология.

Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «воз­бужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решаю­щим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло про­изойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают рели­гиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически под­тверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относитель­ности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и вре­мя сохранились бы; теория относительности утверждает, что вмес­те с материей исчезли бы также пространство и время». 4 Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заклю­чить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум раз­новидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положи­тельна, пространство конечно, и в этом случае расширение со вре­менем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относитель­ности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным рас­ширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего и что находится за пределами расширения? Первый вопрос очевидно противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования от­ветов, которые являются не столько научными, сколько натурфи­лософскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранич­на, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но, тем не менее, она ограничена атмосферой сверху и зем­ной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соот­ветствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Далекое будущее Вселенной [Эсхатология в космической перспективе] Эллис Джордж

4.2. С точки зрения научной космологии

С XVII века, когда наука приняла свою современную форму, она разделяла иудео–христианский взгляд на мир. Поток (англ. flux) линейного времени стал основой, на которой Ньютон построил свою механику (его теория «флюксий» ныне известна как дифференциальное исчисление). Любопытно, что космология Ньютона статична и вечна, однако поддерживается божественными заботами.

Наука держалась за статичную и вечную картину космоса вплоть до двадцатого века, когда выяснилось, что вселенная расширяется. С тех пор было выдвинуто множество космологических моделей, исходящих из этого факта. Их выводы о конечной судьбе вселенной радикально различны. Приведем их краткий обзор:

1. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и расширяется вечно, дегенерируя согласно второму закону термодинамики и в очень отдаленном будущем приближаясь к состоянию почти безликого равновесия («тепловой смерти» в космологии XIX века).

2. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и исчезает в определенный момент в будущем (например, коллапсирует в сингулярность конечного «большого схлопывания» или гибнет в космической катастрофе, вроде распада квантового вакуума). Энтропия постоянно возрастает, однако вселенная (по крайней мере в ее нынешней форме) исчезнет раньше, чем будет достигнуто состояние конечного равновесия.

3. Развивается сценарий 2, однако в определенный момент, возможно, в точке, близкой к максимальному расширению, «стрела времени» поворачивает вспять - и вселенная возвращается к итоговому, относительно упорядоченному состоянию, которое аналогично или даже идентично изначальному состоянию «Большого взрыва».

4. Циклическая вселенная, в которой за расширением и сжатием следует «большой скачок» в новый цикл расширения и сжатия. Вселенная бесконечно пульсирует таким образом. Здесь возможны следующие варианты:

Информация о физическом состоянии до скачка переживает скачок, так что вселенная продолжает развиваться согласно законам термодинамики. С каждым скачком циклы увеличиваются (на что указывал Толмен еще в 1930–х годах) и, возможно, после множества циклов возникает нечто подобное нашей вселенной .

Скачок представляет собой столь экстремальный физический переход, что информация после него воспроизводится «с нуля» , может быть, случайным образом. Возможно, изменяются сами законы физики. В этом случае эволюция каждого цикла не обязана коррелировать с предыдущими и последующими циклами. Стоит спросить, уместны ли здесь вообще термины «предыдущий» и «последующий», поскольку временная последовательность в этом случае теряет смысл. С тем же успехом можно сказать, что циклы не последовательны, а параллельны.

Циклическая модель каким?либо образом комбинируется с обращением времени. Например, стрела времени может быть направлена в разные стороны в следующих друг за другом циклах, поворачиваясь вспять (скорее всего) не на вершине расширения, а в момент скачка. В таком случае по прошествии двух циклов вселенная вернется в изначальное состояние.

5. Стационарная вселенная, которая не имеет ни начала, ни конца, но продолжает неограниченно расширяться. Постоянно возникающая новая материя заполняет промежутки, возникающие при разбегании галактик. Эти инъекции низкоэнтропийной материи всегда «подпитывают» вселенную, позволяя ей сочетать вечное существование с бесконечным развитием. Из вариаций на эту тему можно назвать космологию С–поля, разработанную Хойлом , с асимптотически стационарной вселенной, или модели, в которых эволюционные эпизоды погружены в общее стационарное состояние.

6. Космологии мультивселенных. Общая идея этих моделей: то, что мы до сих пор принимали за «вселенную», на самом деле лишь «пузырь пространства», в гораздо более крупной системе, где другие «пузыри», возможно, с совершенно разными физическими условиями, существуют на очень большом расстоянии друг от друга. Каждый «пузырь» может проходить свой жизненный цикл: рождение, развитие и, возможно, смерть; но это не мешает всему ансамблю в целом пребывать в состоянии, похожем на стационарное. Таким образом, мультивселенная вечна, но ее индивидуальные компоненты - нет. Среди моделей такого рода можно назвать хаотическую космологию Линде и «космический дарвинизм» Смолина . В последней модели одна вселенная может порождать другие посредством своеобразного «почкования», так что ситуация напоминает жизнь биологических организмов - по мере того как вселенная - «родитель» стареет, рождаются новые вселенные, и так до бесконечности.

Хотя астрономические наблюдения предлагают нам возможность различения между этими моделями, космология (по крайней мере до самого последнего времени) славилась тем, что из одних и тех же наблюдений разные космологи делали совершенно разные выводы. В этой атмосфере, вероятно, можно понять сторонников и противников различных моделей, которые чаще, чем это принято в науке, привлекают себе на помощь аргументы эмоционального и богословского характера. Например, Фред Хойл ясно дал понять, что теория стационарного состояния привлекательна для него потому, что исключает «Большой взрыв» , который в 1950–х годах идентифицировался в некоторых кругах (например, папой Пием XII) с иудео–христианской концепцией творения. Для Хойла (в то время) идея божественного творения была нетерпима, поэтому он приветствовал теорию вселенной, не имеющей ни начала ни конца, как способ избавить научную космологию от ее богословских корней. В том же духе многие ученые (например, Роберт Джастроу ) принимали прямо противоположную точку зрения, заявляя, что верят в «большой взрыв» как научную версию библейского мифа о творении. Нет сомнения, что даже сейчас теисты чувствуют себя более комфортабельно с теорией «Большого взрыва», хотя самому по себе учению о творении ex nihilo никогда не предназначался большой вклад в описание начала вселенной.

Из книги НИЧЕГО ОБЫЧНОГО автора Миллмэн Дэн

Смещение точки зрения Еще одним средством из арсенала Мирного Воина является способность сдвигать точку зрения. Однажды Сократ очень живописно описал мне этот прием, когда мы прогуливались по лесистым холмам неподалеку от Беркли. Я спросил его о «значении счастья». Он

Из книги Судьба цивилизации. Путь Разума автора Моисеев Никита Николаевич

5.3. Две крайние точки зрения Для того, чтобы вложить в термин “устойчивое развитие” смысл, отвечающий современным потребностям человечества, надо представить себе перспективу взаимоотношений Природы и общества, очищенную от любых иллюзий как сверхоптимизма,

Из книги Сознание говорит автора Балсекар Рамеш Садашива

Глава 6. С точки зрения просветленного Общее обсуждение Как просветленный организм тела-ума рассматривает этот мир? Что он видит? Что он имеет в виду, описывая мир как нереальный?Шанкара описывал феноменальный мир как нереальный, поэтому его окрестили атеистом. Контекст,

Из книги Философ на краю Вселенной. НФ–философия, или Голливуд идет на помощь: философские проблемы в научно–фантастических фильмах автора Роулендс Марк

С точки зрения вечности Утром, когда вы спешите на работу, в школу или по другим делам, проходя по оживленным улицам, обратите внимание на окружающую вас суматошную и суетливую толпу. Что делают эти люди? Куда они спешат? Приглядитесь к одному человеку из толпы. Скорее

Из книги Основы метасатанизма. Часть I. Сорок правил метасатаниста автора Морген Фриц Моисеевич

Из книги Мистерии древности и христианство автора Штайнер Рудольф

ТОЧКИ ЗРЕНИЯ Естественно-научное мышление оказало глубокое влияние на современные представления. Все менее становится возможным говорить о духовных потребностях, о «жизни души», не впадая в противоречие с представлениями и выводами естествознания. Конечно, существует

Из книги MMIX - Год Быка автора Романов Роман

3. С точки зрения Автора Надеюсь, что всем известен точный смысл слова «притча». Притча – это повествование о простых вещах, за которыми скрыт более глубокий взгляд на сложный мир идеальных, духовных сущностей. Я уже пытался показать на конкретных примерах сказок

Из книги Том 2 автора Энгельс Фридрих

4) РАЗОБЛАЧЁННАЯ ТАЙНА «ТОЧКИ ЗРЕНИЯ» «Рудольф не останавливается на своей возвышенной» (!) «точке зрения… Он не жалеет труда, чтобы по свободному выбору усваивать себе точки зрения справа и слева, наверху и внизу» (Шелига).Одну из главных тайн критической критики

Из книги Духовность. Формы, принципы, подходы. Том I автора Ваайман Кейс

2.2 Междисциплинарные точки зрения В 1923 г., когда был основан Католический университет в Неймегене, кафедра «духовности» (призванная изучать философию и мистицизм) была учреждена на Философском факультете. После Второй мировой войны кафедра переместилась на

Из книги Этика Преображенного Эроса автора Вышеславцев Борис Петрович

12. ТРИ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ В ФИЛОСОФИИ Здесь великий водораздел философских систем, признающих или отрицающих последний транс, систем имманентных или трансцендентных (в конце концов - человекобожеских или богочеловеческих). Между ними среднее место занимают системы

Из книги Далекое будущее Вселенной [Эсхатология в космической перспективе] автора Эллис Джордж

17.4. Новые исследования в научной космологии и эсхатологии: методика и принципы Хоть ты уверовал, что это так, Как я сказал, - твой ум не постигает; И ты, поверив, не рассеял мрак. Данте Алигъери Если это невозможно, то это не может быть правдой. Но если это правда -

Из книги Человек среди учений автора Кротов Виктор Гаврилович

С точки зрения учений А в чём вообще проблема? Ведь почти любое философское учение готово с аппетитом растолковать, что такое философия и зачем она человеку.Так-то оно так, да не просто так…Тут приходится быть осторожным. На самом деле всякое учение будет отвечать совсем

Из книги Гипноз разумности [Мышление и цивилизация] автора Цаплин Владимир Сергеевич

Из книги Открой самого себя [Сборник статей] автора Коллектив авторов

Три точки зрения Возраст – понятие очень конкретное, но в то же время и относительное. Смысл, который вкладывает в него человек, зависит от того, что он считает главным в жизни.Если для вас возраст – это «количество лет от рождения», подтверждающее, что ваше физическое

Из книги Критика политической философии: Избранные эссе автора Капустин Борис Гурьевич

Мораль с точки зрения участника политики и с точки зрения ее зрителя Собственно, некоторые из этих вопросов, точнее, некоторые возможные ответы на них не представляют большой теоретической трудности. Достаточно перейти с позиции безопасной созерцательности на позицию

Из книги Философия возраста [Циклы в жизни человека] автора Сикирич Елена

Три точки зрения Возраст – понятие очень конкретное, но в то же время и относительное. Смысл, который вкладывает в него человек, зависит от того, что он считает главным в жизни.Если для вас возраст – это «количество лет от рождения», подтверждающее, что ваше

просмотров