Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
В данной контрольной работе будут рассмотрены основные космологические модели Вселенной.
1.1 Современные космологические модели Вселенной: модель Энштейна А., модель А.А. Фридмана
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Время существования Вселенной бесконечно, т. е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.
Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922 г. русский математик и геофизик А. А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.
Отношение средней плотности вселенной критической обозначается
Существуют три космологические модели, зависящие от , по имени их создателя названные фридмановскими. В этих моделях не учитывается энергия вакуума (космологическая постоянная).
I Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, причём скорости галактик никогда не будут стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, имеет отрицательную кривизну, описывается геометрией Лобачевского . Через каждую точку такого пространства можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной, сумма углов треугольника меньше 180°, отношение длины окружности к радиусу больше 2π.
II Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, но в бесконечности его скорость будет стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, плоское, описывается геометрией Евклида .
III Фридмановская модель, . Расширение вселенной сменится сжатием, коллапсом и закончится тем, что вселенная сожмётся в сингулярную точку (Большой Хруст). Пространство в такой модели - конечное, имеет положительную кривизну, по форме представляет собой трёхмерную гиперсферу, описывается сферической геометрией Римана. В таком пространстве нет параллельных прямых, сумма углов треугольника больше 180°, отношение длины окружности к радиусу меньше 2π. Полная суммарная масса такой вселенной равна нулю.
По современным данным 
.
1.2 Альтернативные космологические модели Вселенной
Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:
1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.
2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.
3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.
4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К.Бранса и Р.Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф.Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.
5. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т. е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж.Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.
ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») - сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ вуравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 
миллиардов лет.
Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.
В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на «эры»
При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.
Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):
Радиус космологического горизонта
или видимой нами Вселенной 10 26
Диаметр нашей Галактики 10 21
Расстояние от Земли до Солнца 10 11
Диаметр Солнца 10 9
Размер человека 10 0
Длина волн видимого света 10 -6 — 10 -8
Размер вирусов 10 -6 -10 -8
Диаметр атома водорода 10 -10
Диаметр атомного ядра 10 -15
Минимальное расстояние,
доступное сегодня нашим измерениям 10 -18
Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь «мир наш - только школа, где мы учимся познавать», - так сказал французский философ-гуманист Мишель Монтень (1533- 1592).
Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.
1.3 Модель горячего взрыва
Согласно космологической модели Фридмана — Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва — около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью. Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает.
С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной. Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований. Чем более ранние события мы рассматриваем, тем меньше был их пространственный масштаб; по мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя сжимается (рис. 1).
Рис. 1. Иллюстрация моделей большого взрыва
В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы уже не в праве применять общую теорию относительности: для описания явлений в столь малых масштабах требуется квантовая механика. Но квантовой теории гравитации пока не существует, поэтому никто не знает, как развивались события до момента 10-43 с, называемого планковским временем (в честь отца квантовой теории). В тот момент плотность материи достигала невероятного значения 1090 кг/см 3 , которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас тел (менее 10 г/см 3), но даже с плотностью атомного ядра (около 1012 кг/см 3) — наибольшей плотностью, доступной в лаборатории. Поэтому для современной физики началом расширения Вселенной служит планковское время.
Модели большого взрыва представлены тремя важнейшими типами: стандартной открытой моделью, стандартной замкнутой и моделью Леметра. По горизонтали отложено время, по вертикали — расстояние между любыми двумя достаточно удаленными друг от друга (чтобы исключить их взаимодействие) галактиками. Кружком отмечена наша эпоха. Если бы Вселенная всегда расширялась с нынешней скоростью, выраженной постоянной Хаббла Н, то это началось бы около 20 млрд. лет назад и происходило так, как показано диагональным пунктиром. Если расширение замедляется, как в открытой модели пространственно безграничного мира или в замкнутой модели ограниченного мира, то возраст Вселенной меньше, чем 1/Н. Наименьший возраст у замкнутой модели, расширение которой быстро замедляется и сменяется сжатием. Модель Леметра описывает Вселенную, возраст которой значительно больше, чем 1/Н, поскольку в ее истории есть длительный период, когда расширения почти не происходило. Модель Леметра и открытая модель описывают Вселенную, которая всегда будет расширяться.
Вот при таких условиях немыслимо высокой температуры и плотности состоялось рождение Вселенной. Причем это могло быть рождением в прямом смысле: некоторые космологи (скажем, Я.Б.Зельдович в СССР и Л.Паркер в США) считали, что частицы и гамма-фотоны были рождены в ту эпоху гравитационным полем. С точки зрения физики, этот процесс мог состояться, если сингулярность была анизотропной, т.е. гравитационное поле было неоднородным. В этом случае приливные гравитационные силы могли «вытащить» из вакуума реальные частицы, создав, таким образом, вещество Вселенной. Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц — адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущие.
После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц — лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 10 10 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра. Следующая фаза расширения — фотонная эра — характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.
1.4 Нерешенные проблемы космологии Большого взрыва
Можно отметить 4 проблемы, стоящие сейчас перед космологической моделью Большого взрыва.
1. Проблема сингулярности: многие сомневаются в применимости общей теории относительности, дающей сингулярность в прошлом. Предлагаются альтернативные космологические теории, свободные от сингулярности.
2. Тесно связана с сингулярностью проблема изотропности Вселенной. Кажется странным, что начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.
3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.
4. Наконец, можно спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной. Происхождение крупномасштабной структуры. У космологов на эту проблему есть две противоположные точки зрения. Самая радикальная состоит в том, что вначале был хаос. Расширение ранней Вселенной происходило крайне анизотропно и неоднородно, но затем диссипативные процессы сгладили анизотропию и приблизили расширение к модели Фридмана — Леметра. Судьба неоднородностей весьма любопытна: если их амплитуда была большой, то неизбежно они должны были коллапсировать в черные дыры с массой, определяемой текущим горизонтом. Их формирование могло начаться прямо с планковского времени, так что во Вселенной могло быть множество мелких черных дыр с массами до 10-5 г. Однако С.Хокинг показал, что «мини-дыры» должны, излучая, терять свою массу, и до нашей эпохи могли сохраниться только черные дыры с массами более 10 16 г, что соответствует массе небольшой горы.
Первичный хаос мог содержать возмущения любого масштаба и амплитуды; наиболее крупные из них в виде звуковых волн могли сохраниться от эпохи ранней Вселенной до эры излучения, когда вещество было еще достаточно горячим, чтобы испускать, поглощать и рассеивать излучение. Но с окончанием этой эры остывшая плазма рекомбинировала и перестала взаимодействовать с излучением. Давление и скорость звука в газе упали, вследствие чего звуковые волны превратились в ударные волны, сжимающие газ и заставляющие его коллапсировать в галактики и их скопления. В зависимости от типа исходных волн расчеты предсказывают весьма различную картину, далеко не всегда соответствующую наблюдаемой. Для выбора между возможными вариантами космологических моделей важной является одна философская идея, известная как антропный принцип: с самого начала Вселенная должна была иметь такие свойства, которые позволили сформироваться в ней галактикам, звездам, планетам и разумной жизни на них. Иначе некому было бы заниматься космологией. Альтернативная точка зрения состоит в том, что об исходной структуре Вселенной можно узнать не более того, что дают наблюдения. Согласно этому консервативному подходу, нельзя считать юную Вселенную хаотической, поскольку сейчас она весьма изотропна и однородна. Те отклонения от однородности, которые мы наблюдаем в виде галактик, могли вырасти под действием гравитации из небольших начальных неоднородностей плотности. Однако исследования крупномасштабного распределения галактик (в основном проведенные Дж.Пиблсом в Принстоне), кажется, не подтверждают эту идею. Другая интересная возможность состоит в том, что скопления черных дыр, родившихся в адронную эру, могли стать исходными флуктуациями для формирования галактик. Открыта или замкнута Вселенная? Ближайшие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию; но более далекие не подчиняются этой зависимости: их движение указывает, что расширение Вселенной со временем замедляется. В замкнутой модели Вселенной под действием тяготения расширение в определенный момент останавливается и сменяется сжатием (рис. 2), но наблюдения показывают, что замедление галактик происходит все же не так быстро, чтобы когда-либо произошла полная остановка.
Горизонтальные линии отмечают характерные моменты эволюции, а отсеченные ими треугольники показывают область Вселенной, доступную наблюдателю в этот момент. Чем больше времени прошло от начала расширения, тем большая область становится доступной для наблюдения. В настоящее время свет приходит к нам от звезд, квазаров и скоплений галактик, удаленных на миллиарды световых лет, но в ранние эпохи наблюдатель мог видеть гораздо меньшую область Вселенной. В различные эпохи доминировали разные формы материи: хотя доминирует вещество атомных ядер (нуклонов), до этого, когда Вселенная была горячей, доминировало излучение (фотоны), а еще раньше — легкие элементарные частицы (лептоны) и тяжелые (адроны).
Рисунок 2 – Стандартная модель большого взрыва: время отложено по вертикали, а расстояния — по горизонтали.
Чтобы Вселенная была замкнута, средняя плотность материи в ней должна превышать определенное критическое значение. Оценка плотности видимого и невидимого вещества весьма близка к этому значению. Распределение галактик в пространстве весьма неоднородно. Наша Местная группа галактик, включающая Млечный Путь, Туманность Андромеды и несколько галактик поменьше, лежит на периферии огромной системы галактик, известной как Сверхскопление в Деве (Virgo), центр которого совпадает со скоплением галактик Virgo. Если средняя плотность мира велика и Вселенная замкнута, то должно было бы наблюдаться сильное отклонение от изотропного расширения, вызванное притяжением нашей и соседних галактик к центру Сверхскопления. В открытой Вселенной это отклонение незначительно. Наблюдения скорее согласуются с открытой моделью. Большой интерес космологов вызывает содержание в космическом веществе тяжелого изотопа водорода — дейтерия, который образовался в ходе ядерных реакций в первые мгновения после Большого взрыва. Содержание дейтерия оказалось чрезвычайно чувствительно к плотности вещества в ту эпоху, а следовательно, и в нашу. Однако «дейтериевый тест» осуществить нелегко, ибо нужно исследовать первичное вещество, не побывавшее с момента космологического синтеза в недрах звезд, где дейтерий легко сгорает. Изучение предельно далеких галактик показало, что содержание дейтерия соответствует низкой плотности материи и, следовательно, открытой модели Вселенной.
Заключение
Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием.
В этом случае Вселенная сузится до размеров, которые у неё были предположительно при возникновении, уступив место явлению, названному Большим сжатием.
Перечислим основные модели Вселенной: Модель де Ситтера: модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 г., в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной; Модель Леметра: Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леметра (1894-1966),
Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 г. Эдвардом Милном (Edward Milne). Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная. не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и незамкнута.
Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапсировать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925), анализируя уравнения общей теории относительности
Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.
Модель Эйнштейна-де Ситтера: Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а ее расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана.
2. В чем суть процессов самоорганизации в живой и неживой природе?
Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами - высшими уровнями организации.
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.
Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.
Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.
Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, которое обеспечивает согласованное поведение, или функционирование системы, которое определяется внешними условиями.
Если под изменением организованности понимать изменение способа соединения (или связи) подсистем, образующих систему, то явление самоорганизации можно определить как такое неизбежное изменение системы и ее функций, которое происходит вне каких-либо дополнительных влияний, вследствие взаимодействия системы с условиями существования и приближается к некоторому относительно устойчивому состоянию.
Под самоорганизацией будем понимать изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой.
Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы. Конкретная конфигурация структуры существует только в строго определенных условиях и в определенный момент «движения» сложной системы. Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур.
Закономерное изменение структуры системы соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией.
Изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой — это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к новому. С другой стороны, изменение структуры сложной системы обеспечивает расширение жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, т.е. приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи с новыми сторонами внешней среды.
Самоорганизация характеризуется возникновением внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Причем понятия функция и структура системы тесно взаимосвязаны; система организуется, т.е. изменяет структуру ради выполнения функции.
Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов, выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.
Под структурой материи обычно понимают ее строение в макромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек является макроскопическим существом и для него привычными являются макроскопические масштабы, поэтому понятие структуры ассоциируется обычно с различными микрообъектами.
Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения, понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношениях.
Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:
– неисчерпаемость объектов и процессов микромира;
– бесконечность пространства и времени;
– бесконечность изменений и развития процессов.
Из всего многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной всегда остается лишь конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10 -15 до 10 28 см, а во времени - до 2×10 9 лет.
Структурность и системная организация материи относятся к числу важнейших ее атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те ее конкретные формы, в которых она проявляется.
Материальный мир един: мы подразумеваем, что все его части - от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества - так или иначе связаны.
Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам.
Системы бывают объективно существующие и теоретические, или концептуальные, т.е. существующие лишь в сознании человека.
Система - это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.
Упорядоченность множества подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Внешняя характерна для созданных человеком искусственных систем: технических, производственных, концептуальных и т.п.
Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.
Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:
– пространственно-временные масштабы;
– совокупность важнейших свойств;
– специфические законы движения;
– степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира;
– некоторые другие признаки.
Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделены по вышеперечисленным признакам в следующие области.
1. Микромир. Сюда относятся:
– частицы элементарные и ядра атомов - область порядка 10 – 15 см;
– атомы и молекулы 10 –8 -10 –7 см.
Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.
2. Макромир: макроскопические тела 10 –6 -10 7 см.
Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
3. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 1028 см.
Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.
В космических масштабах - гравитационные силы.
С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 больше, а взаимодействие между нуклонами - составляющими ядро частицами - в 1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.
Говоря о структурности - внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.
В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами, применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом (табл.).
Таблица – Структурные уровни материи
Неорганическая природа
Живая природа
Общество
Субмикроэле-ментарный
Биологический макромолекулярный
Индивид
Микроэлементарный
Клеточный
Семья
Ядерный
Микроорганический
Коллективы
Атомарный
Органы и ткани
Большие социальные группы (классы, нации)
Молекулярный
Организм в целом
Государство (гражданское общество)
Макроуровень
Популяции
Системы государств
Мегауровень (планеты, звездно-планетные системы, галактики)
Биоценоз
Человечество в целом
Мегауровень (метагалактики)
Биосфера
Ноосфера
Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями - субординационные.
Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделение тех из них, которые являются системообразующими, т.е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т.е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.
Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т.д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.
Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:
– макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);
– клеточный уровень;
– микроорганический (одноклеточные организмы);
– органов и тканей организма в целом;
– популяционный;
– биоценозный;
– биосферный.
Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.
Биотоп - совокупность (сообщество) особей одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных (популяции).
Биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды.
Биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.
Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) - проявляется на любом из выделенных подуровней:
– на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;
– на уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;
– на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участи факторов космического масштаба.
На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые, благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень - социальный. Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т.д.
Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур - главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом.
Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности.
Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.
В 1917 г. А. Эйнштейн построил модель Вселенной. В этой модели для преодоления гравитационной неустойчивости Вселенной использовалась космологическая сила отталкивания, получившая название лямбда-параметра. В дальнейшем Эйнштейн скажет, что это была грубейшая его ошибка, противоречащая духу созданной им теории относительности: сила тяготения в этой теории отождествляется с кривизной пространства-времени. Вселенная Эйнштейна имела форму гиперцилиндра, протяженность которого определялась общим количеством и составом форм проявления энергии (вещество, поле, излучение, вакуум) в этом цилиндре. Время в этой модели направлено от бесконечного прошлого к бесконечному будущему. Таким образом, здесь величина энергии-, массы Вселенной (вещество, поле, излучение, вакуум) пропорционально связана с пространственной ее структурой: ограниченная по своей форме, но бесконечного радиуса и бесконечная во времени.
Исследователи, которые стали анализировать эту модель, обратили внимание
на ее чрезвычайную неустойчивость, подобную стоящей на ребре монете, одна сторона которой соответствует расширяющейся Вселенной, другая - замкнутой: при учете одних физических параметров Вселенной, по модели Эйнштейна, она получается вечно расширяющейся, при учете других - замкнутой. Например, голландский астроном В. де Ситтер, допустив, что время искривлено так же, как и пространство в модели Эйнштейна, получил модель Вселенной, в которой в очень удаленных объектах время полностью останавливается.
А. Фри д ман, ф и з ик и математик Петроградского университета, опубликовал в 1922 г . статью « О кривизне пространства». В ней приводились результаты исследований общей теории относительности, которые не исключали математической возможности существования трех моделей Вселенной: модель Вселенной в евклидовом пространстве (К = 0); модель с коэффициентом, равным (К> 0) и модель в пространстве Лобачевского - Больяй (К < 0).
В своих вычислениях А. Фридман исходил из положения о том, чт о величина и
радиус Вселенной пропорциональны величине энергии, вещества и другим
формам ее проявления во Вселенной в целом. Математические выводы А.Фридмана отрицали необходимость введения космологической силы отталкивания, поскольку из общей теории относительности не исключалась возможность существования модели Вселенной, в которой процессу ее расширения соответствует процесс сжатия, связанный с ростом плотности, давления составляющей Вселенную энергии-материи (вещество, поле, излучение, вакуум). Выводы А. Фридмана вызвали сомнение у многих ученых и у самого А. Эйнштейна. Хотя уже в 1908 г. математик Г. Минковский, дав геометрическую интерпретацию специальной теории относительности, получил модель Вселенной, в которой коэффициент кривизны равен нулю (К = 0), т. е. модель Вселенной в евклидовом пространстве.
Н. Лобачевский, основатель неевклидовой геометрии, проводил измерение углов треугольника между удаленными от Земли звездами и обнаружил, что сумма углов треугольника равна 180°, т. е. пространство в космосе является евклидовым. Наблюдаемая евклидовость пространства Вселенной является одной из загадок современной космологии. В настоящее время считается, что плотность вещества
во Вселенной составляет 0,1-0,2 части от критической плотности. Критическая плотность примерно равна 2 · 10 -29 г /см 3 . Достигнув критической плотности, Вселенная начнет сжиматься.
Модель А. Фридмана с «К > 0» - это расширяющаяся Вселенная из исходного
ее состояния, к которому она должна вновь возвратиться. В этой модели появилось понятие возраста Вселенной: наличие предшествующего состояния относительно наблюдаемого в определенный момент.
Предположив, что масса всей Вселенной равна 5 · 10 2 1 масс Солнца, А.
Фридман рассчитал, что наблюдаемая Вселенная находилась в сжатом состоянии
по модели «K > 0» приблизительно 10-12 млрд лет тому назад. После этого она стала расширяться, но это расширение не будет бесконечным и через определенное время произойдет вновь сжатие Вселенной. А. Фридман отказывался обсуждать физику начального, сжатого состояния Вселенной, поскольку законы микромира к тому времени не были ясны. Математические выводы А. Фридмана многократно проверялись и перепроверялись не только А. Эйнштейном, но и другими учеными. Через определенное время А. Эйнштейн в ответе на письмо А. Фридмана признал правильность этих решений и назвал А. Фридмана «первым ученым, ставшим на путь построения релятивистских моделей Вселенной». К сожалению, А. Фридман рано умер. В его лице наука потеряла талантливого ученого.
Как уже отмечалось выше, ни А. Фридману, ни А. Эйнштейну не были известны данные о факте «разбегания» галактик, полученные американским астрономом В. Слайфером (1875-1969) в 1912 г. К 1925 г. он измерил скорость движения несколько десятков галактик. Поэтому космологические идеи А. Фридмана обсуждались преимущественно в теоретическом плане. Н о уже в 1929
г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью телескопа с приборами спектр а льного анализа от крыл т а к называ е мый э ффект
«красного смещения». Свет, идущий от галактик, которые он наблюдал,
смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том,
что наблюдаемые галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя.
Эффект «красного смещения» - частный случай эффекта Доплера. Австрийский ученый К.Доплер (1803-1853) открыл его в 1824 г. При удалении источника волн относительно прибора, фиксирующего волны, длина волны увеличивается и становится короче при приближении к неподвижному приемнику волны. В случае световых волн длинные волны света соответствуют красному сегменту светового спектра (красный - фиолетовый), короткие - фиолетовому сегменту. Эффект «красного смещения» был использован Э. Хабблом для измерения расстояний до галактик и скорости их удаления: если «красное смещение» от галактики А, например, боль ш е в два раза, чем от галактики В, то расстояние до галактики А в два раза больше, чем до галактики В.
Э. Хаббл установил, что все наблюдаемые галактики удаляются по всем направлениям небесной сферы со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: Vr = Нr, где r - расстояние до наблюдаемой галактики, измеряемой в парсеках (1 пс приблизительно равен 3,1 10 1 6 м), Vr - скорость движения наблюдаемой галактики, Η - постоянная Хаббла, или коэффициент пропорциональности между скоростью движения галактики и расстоянием до нее
от наблюдателя. Небесная сфера - это понятие, которое используется для описания объектов звездного неба невооруженным глазом. Древние считали небесную сферу реальностью, на внутренней стороне которой закреплены звезды. Вычисляя значение этой величины, которую потом стали называть постоянной Хаббла, Э. Хаббл пришел к выводу о том, что она равна приблизительно 500 км/(с Мпс). Иначе говоря, отрезок пространства в один миллион парсек увеличивается за одну секунду на 500 км.
Формула Vr = Нr позволяет рассматривать как удаление галактик, так и обратную ситуацию, движение к некоему исходному положению, началу «разбегания» галактик во времени. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени: t (время) = r/Vr = 1/H. При значении Н, о котором говорилось выше, Э. Хаббл получил время начала «разбегания» галактик, равное 3 млрд лет, что вызвало у него сомнение относительности правильности вычисленной им величины. Пользуясь эффектом «красного смещения», Э. Хаббл достиг самых удаленных галактик, известных в то время: чем дальше галактика, тем меньше воспринимаемая нами ее яркость. Это позволило Э. Хабблу говорить о том, что формула Vr = Hr выражает наблюдаемый факт расширения Вселенной, о котором говорилось в модели А. Фридмана. Астрономические исследования Э. Хаббла стали рассматриваться рядом ученых как опытные подтверждения правоты модели А. Фридмана о нестационарной, расширяющейся Вселенной.
Уже в 30-е годы некоторые ученые высказывали сомнения по поводу данных
Э. Хаббла. Например, П. Дирак высказал гипотезу о естественном краснении квантов света в силу их квантовой природы, взаимодействия с электромагнитными полями космического пространства. Другие указывали на теоретическую несостоятельность постоянной Хаббла: почему величина постоянной Хаббла должна быть вкаждой момент времени одинаковой в эволюции Вселенной? Это устойчивое постоянство постоянной Хаббла предполагает, что известные нам законы Вселенной, действующие вМегагалактике, обязательны для всей Вселенной в целом. Возможно, как говорят критики постоянной Хаббла, существуют какие-то другие законы, которым не будет соответствовать постоянная Хаббла.
Например, говорят они, свет может «краснеть» за счет воздействия на него межзвездной (МЗС) и межгалактической (МГЗ) среды, которые могут удлинять длину волны его движения к наблюдателю. Другим вопросом, вызвавшим дискуссии в связи с исследованиями Э. Хаббла, был вопрос о предположении возможности движений галактик со скоростью, превышающей скорость света. Если это возможно, то тогда эти галактики могут исчезнуть из нашего наблюдения, поскольку из общей теории относительности никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Тем не менее большинство ученых считают, что наблюдения Э. Хаббла установили факт расширения Вселенной.
Факт расширения галактик не означает расширения внутри самих галактик, так как их структурная определенность обеспечивается действием внутренних сил гравитации.
Наблюдения Э. Хаббла способствовали дальнейшему обсуждению моделей А. Фридмана. Бельгийский монах и астроном Ж. Ле м етр (в пе р вой половине прошлого) века обратил вним а ние на сл е дующее обстоятельство: разбегание галактик означает расширение пространства, следовательно, в прошлом
было уменьшение объема и п л отности в е щества. Первоначальную плотность вещества Леметр назвал протоатомом с плотностью 10 9 3 г/см 3 , из которого Богом был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий пространства и времени. При плотности 10 9 3 г/см 3 понятия времени и пространства теряют свой обычный физический смысл. Эта модель привлекла внимание к физическому состоянию со сверхплотными и сверхгорячими физическими параметрами. Кроме этого, были предложены модели пульсирующей Вселенной: Вселенная расширяется и сжимается, но никогда не доходит до крайних пределов. Модели пульсирующей Вселенной придают большое значение измерению плотности энергии-вещества во Вселенной. При достижении критического предела плотности Вселенная расширяется или сжимается. В результате появился термин «сингул я рное» (лат. singularus - отдельный, единичный) состояние, в котором плотность и температура принимают бесконечное значение. Это направление исследований столкнулось с проблемой «скрытой массы» Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая масса Вселенной не совпадает с ее массой, вычисленной на основе теоретических моделей.
Модель «Большого взрыва». Наш соотечественник Г. Гамов (1904-1968)
работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями
А. Фридмана. В 1934 г. он был послан в командировку в США, где остался до конца своей жизни. Под влиянием космологических идей А. Фридмана Г. Гамов заинтересовался двумя проблемами:
1) относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и 2) их происхождением. К концу первой половина ХХ в. велась оживленная дискуссия по этим проблемам: где могут образовываться тяжелые химические элементы, если водород (1 1 Н) и гелий (4 Н) являются самыми распространенными химическими элементами во Вселенной. Г. Гамов предположил, что химические элементы ведут свою историю от самого начала расширения Вселенной.
Модель Г. Гамова н а зывается моделью «Большого взрыва», н о она имеет
и другое название: «А-Б-Г-теория» . В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.
Кратко о сути этой модели:
1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.
2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.
3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.
4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал
«Космологическим Большим взрывом».
5. Речь идет о необычном взрыве.
6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого взрыва.
7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.
8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.
Это явление было названо реликтовым (древним), фо н овым изл у чение м. В
1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него
получилось 10 К. Реликтовое излучение - это микроволновое электромагнитное излучение.
В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.
Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К> 0) модели Вселенной. Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом неограниченно расширяющейся Вселенной.
Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом;
б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами - 78 млн лет.
В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали ряб ь ю, позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энер г ии в результате действия сил гравитации на ранних стадиях развития Вселенной.
Модель«Ин ф л яци о нной Вселенной» .
Термин «инфляция» (лат. «inflation» ) трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10 -30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 10 50 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие и н ф латонн о го поля . Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.
Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10 -30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:
1) t - 10 - 4 5 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10 -50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» - 10 - 4 3 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10 -50 с;
2) t - приблизительно от 10 -43 до 10 -35 с - эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;
3) t - приблизительно от 10 - 3 5 до 10 -5 - быстрая часть инфляционной фазы,
когда диаметр Вселенной увеличился в 10 5 0 раз. Речь идет о возникновении и образовании электронно-кварковой сред ы;
4) t - приблизительно от 10 -5 до 10 5 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.
Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil - ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» - исключить из космологии понятие
«Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние ко н ф игурации и н ф латонного поля. Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10-15 млрд лет.
«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на 0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя.
Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной
Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и
«Самосогласованной космологии».
Модель «Стационарной Вселенной». Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний - широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:
«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным». Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.
д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.
Модель « Холодной Вселенно й ». Модель была предложена в шестидесятых
годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение
теоретических значений плотности и температуры излучения по модели
«Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.
Модель «Вселенная в атоме». Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир - область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название ф ридмонов. Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, - Метавселенная.
Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества
до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Модель «Большого взрыва».
2. Астрономические исследования Э. Хаббла и их роль в развитии
современной космологии.
3. Реликтовое, фоновое излучение.
4. Модель «Инфляцио нн ой Вселе нн ой».
Исторически представления о Вселенной всегда развивались в рамках мысленных моделей Вселенной, начиная с Древних мифов. В мифологии практически любого народа значительное место занимают мифы о Вселенной - ее происхождении, сущности, структуре, взаимосвязях и возможных причинах конца . В большинстве древних мифов мир (Вселенная) не вечен, он создан высшими силами из некой первоосновы (субстанции), обычно из воды или из хаоса. Время в древних космогонических представлениях чаще всего циклично, т.е. события рождения, существования и гибели Вселенной следуют друг за другом по кругу, подобно всем объектам в природе. Вселенная представляет собой единое целое, все ее элементы связаны между собой, глубина этих связей различна вплоть до возможных взаимопревращений, события следуют друг за другом, сменяя друг друга (зима и лето, день и ночь). Этот мировой порядок противопоставляется хаосу. Пространство мира ограниченно. Высшие силы (иногда боги) выступают или творцами Вселенной или хранителями мирового порядка. Структура Вселенной в мифах предполагает многослойность: наряду с явленным (срединным) миром присутствуют верхний и нижний миры, ось Вселенной (часто в виде Мирового древа или горы), центр мира - место, наделенное особыми сакральными свойствами, существует связь между отдельными слоями мира. Существование мира мыслится регрессивно - от «золотого века» к упадку и гибели. Человек в древних мифах может быть аналогом всего Космоса (весь мир создан из гигантского существа, подобного человеку-великану), что укрепляет связь человека и Вселенной. В древних моделях человек никогда не занимает центрального места. В VI-V вв. до н.э. создаются первые натурфилософские модели Вселенной, наиболее разработанные в Древней Греции . Предельным понятием в этих моделях выступает Космос как единое целое, прекрасное и законосообразное. Вопрос, как образовался мир, дополняется вопросом, из чего устроен мир, как он изменяется. Ответы формулируются уже не образным, а абстрактным, философским языком. Время в моделях чаще всего носит еще циклический характер, но пространство - конечно. В качестве субстанции выступают как отдельные стихии (вода, воздух, огонь - в Милетской школе и у Гераклита), смесь стихий, так и единый, неделимый неподвижный Космос (у элеатов), онтологи- зированное число (у пифагорейцев), неделимые структурные единицы - атомы, обеспечивающие единство мира, - у Демокрита. Именно модель Вселенной Демокрита бесконечна в пространстве. Натурфилософы определяли статус космических объектов - звезд и планет, различия между ними, их роль и взаиморасполо- Жение во Вселенной. В большинстве моделей существенную роль играет движение. Космос построен по единому закону - Логосу, этому же закону подчинен и человек - микрокосм, уменьшенная копия Космоса. Развитие пифагорейских взглядов, геометризующих Космос и впервые четко представивших его в виде сферы, вращающейся вокруг центрального огня и им же окруженного, получило воплощение в поздних диалогах Платона. Логической вершиной взглядов античности на Космос долгие века считалась модель Аристотеля, математически обработанная Птолемеем. В несколько упрощенном виде эта модель, поддерживаемая авторитетом церкви, просуществовала около 2 тыс. лет. По Аристотелю, Вселенная: о есть всеобъемлющее целое, состоящее из совокупности всех воспринимаемых тел; о единственна в своем роде; о пространственно конечна, ограничена крайней небесной сферой, за ней же «нет ни пустоты, ни места»; о вечна, безначальна и бесконечна во времени. При этом Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, земное и небесное (надлунное) абсолютно противоположны по своему физико-химическому составу и характеру движения. В X1V-XVI вв., в эпоху Возрождения, вновь возникают натурфилософские модели Вселенной. Они характеризуются, с одной стороны, возвращением к широте и философичности взглядов античности, а с другой - строгой логикой и математикой, унаследованной от Средневековья. В результате теоретических изысканий Николай Кузанский, Н. Коперник, Дж. Бруно предлагают модели Вселенной с бесконечным пространством, необратимым линейным временем, гелиоцентрической Солнечной системой и множеством миров, подобных ей. Г. Галилей, продолжая эту традицию, исследовал законы движения - свойство инерции и первым сознательно использовал мысленные модели (конструкты, позже ставшие основой теоретической физики), математический язык, который он считал универсальным языком Вселенной, сочетание эмпирических методов и теоретической гипотезы, которую опыт должен подтвердить или опровергнуть, и, наконец, астрономические наблюдения с помощью телескопа, значительно расширившие возможности науки. Г. Галилей, Р. Декарт, И. Кеплер заложили основы современных физических и космогонических представлений о мире, и на их базе и на базе открытых Ньютоном законов механики в конце XVII в. сложилась первая научная космологическая модель Вселенной, получившая название классической ньютоновской. Согласно этой модели, Вселенная: О статична (стационарна), т.е. в среднем неизменна во времени; О однородна - все точки ее равноправны; О изотропна - равноправны и все направления; о вечна и пространственно бесконечна, причем пространство и время абсолютны - не зависят друг от друга и от движущихся масс; О имеет отличную от нуля плотность материи; О имеет структуру, вполне постигаемую на языке наличной системы физического знания, что означает бесконечную экстраполиру- емость законов механики, закона всемирного тяготения, которые являются основными законами для движения всех космических тел. Кроме того, во Вселенной применим принцип дальнодействия, т.е. мгновенное распространение сигнала; единство Вселенной обеспечивается единой структурой - атомарным строением вещества. Эмпирической базой данной модели служили все полученные в астрономических наблюдениях данные, для их обработки использовался современный математический аппарат. Эта конструкция опиралась на детерминизм и материализм рационалистической философии Нового времени . Несмотря на обнаружившиеся противоречия (фотометрический и гравитационный парадоксы - следствия экстраполяции модели на бесконечность), мировоззренческая привлекательность и логическая непротиворечивость, а также эвристический потенциал делали ньютоновскую модель единственно приемлемой для космологов вплоть до XX в. К необходимости пересмотра взглядов на Вселенную подтолкнули многочисленные открытия, сделанные в XIX и XX вв.: наличие давления света, делимость атома, дефект масс, модель строения атома, неплоские геометрии Римана и Лобачевского, однако только с появлением теории относительности стала возможной новая квантово-релятивистская модель Вселенной. Из уравнений специальной (СТО, 1905 г.) и общей (ОТО, 1916 г.) теории относительности А. Эйнштейна следует, что пространство и время связаны между собой в единую метрику, зависят от движущейся материи: при скоростях, близких к скоррсти света, пространство сжимается, время растягивается, а вблизи компактных мощных масс пространство-время искривляется, тем самым модель Вселенной геометризируется. Были даже попытки представить всю Вселенную как искривленное пространство-время, узлы и дефекты которого интерпретировались как массы. Эйнштейн, решая уравнения для Вселенной, получил модель, ограниченную в пространстве и стационарную. Но для сохранения стационарности ему потребовалось ввести в решение дополнительный лямбда-член, эмпирически ничем не подкрепленный, по своему действию эквивалентный полю, противостоящему гравитации на космологических расстояниях. Однако в 1922-1924 гг. А.А. Фридман предложил иное решение этих уравнений, из которого вытекала возможность получения трех различных моделей Вселенной в зависимости от плотности материи, но все три модели были нестационарными (эволюционирующими) - модель с расширением, сменяющимся сжатием, осциллирующая модель и модель с бесконечным расширением. В то время отказ от стационарности Вселенной был поистине революционным шагом и воспринимался учеными с большим трудом, так как казался противоречащим всем устоявшимся научным и философским взглядам на природу, неизбежно ведущим к креацианизму . Первое экспериментальное подтверждение нестационарное™ Вселенной было получено в 1929 г. - Хаббл открыл красное смещение в спектрах удаленных галактик, что, согласно эффекту Доплера, свидетельствовало о расширении Вселенной (такую интерпретацию разделяли тогда далеко не все космологи). В 1932- 1933 гг. бельгийский теоретик Ж. Леметр предложил модель Вселенной с «горячим началом», так называемым «Большим взрывом». Но еще в 1940-е и в 1950-е гг. предлагались альтернативные модели (с рождением частиц из с-поля, из вакуума), сохраняющие стационарность Вселенной. В 1964 г. американские ученые - астрофизик А. Пензиас и радиоастроном К. Вильсон обнаружили однородное изотропное реликтовое излучение, явно свидетельствующее о «горячем начале» Вселенной. Эта модель стала доминирующей, была признана большинством космологов. Однако сама эта точка «начала», точка сингулярности рождала множество проблем и споров как по поводу механизма «Большого взрыва», так и потому, что поведение системы (Вселенной) вблизи нее не удавалось описать в рамках известных научных теорий (бесконечно большие температура и плотность должны были сочетаться с бесконечно малыми размерами) . В XX в. выдвигалось множество моделей Вселенной - от тех, которые отвергали в качестве основы теорию относительности, до тех, которые изменяли в базовой модели какой-либо фактор, например «сотовое строение Вселенной» или теория струн. Так, для снятия противоречий, связанных с сингулярностью, в 1980-1982 гг. американский астроном П. Стейнхарт и советский астрофизик А. Линде предложили модификацию модели расширяющейся Вселенной - модель с инфляционной фазой (модель «раздувающейся Вселенной»), в которой первые мгновения после «Большого взрыва» получали новую интерпретацию. Эту модель продолжали дорабатывать и позже, она снимала ряд существенных проблем и противоречий космологии . Исследования не прекращаются и в наши дни: выдвинутая группой японских ученых гипотеза о происхождении первичных магнитных полей хорошо согласуется с описанной выше моделью и позволяет надеяться получить новые знания о ранних стадиях существования Вселенной. Как объект исследования Вселенная слишком сложна, чтобы изучать ее дедуктивно, возможность продвигаться вперед в ее познании дают именно методы экстраполяции и моделирования. Однако эти методы требуют точного соблюдения всех процедур (от постановки проблемы, выбора параметров, степени подобия модели и оригинала до интерпретации полученных результатов), и даже при идеальном выполнении всех требований результаты исследований будут носить принципиально вероятностный характер. Математизация знаний, значительно усиливающая эвристические возможности многих методов, является общей тенденцией науки XX в. Не стала исключением и космология: возникла разновидность мысленного моделирования - математическое моделирование, метод математической гипотезы. Сущность его в том, что сначала решаются уравнения, а затем подыскивается физическая интерпретация полученных решений. Данный порядок действий, не характерный для науки прошлого, обладает колоссальным эв ристическим потенциалом. Именно этот метод привел Фридмана к созданию модели расширяющейся Вселенной, именно таким путем был открыт позитрон и совершено еще много важных открытий в науке конца XX в. Компьютерные модели, в том числе и при моделировании Вселенной, рождены развитием компьютерной техники. На их основе доработаны модели Вселенной с инфляционной фазой; в начале XXI в. обработаны большие массивы информации, полученные с космического зонда, и создана модель развития Вселенной с учетом «темной материи» и «темной энергии». Со временем изменялась трактовка многих фундаментальных понятий. Физический вакуум понимается уже не как пустота, не как эфир, а как сложное состояние с потенциальным (виртуальным) содержанием материи и энергии. При этом обнаружено, что известные современной науке космические тела и поля составляют незначительный процент массы Вселенной, а большая часть массы заключена в косвенно обнаруживающих себя «темной материи» и «темной энергии». Исследования последних лет показали, что значительная часть этой энергии действует на расширение, растягивание, разрывание Вселенной, что может привести к фиксируемому ускорению расширения }
В масштабах 10–13 см - сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.
Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.
