Уровни строения материи

Структурные уровни организации материи

Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных структур, но и раскрывает их связь и соотношение.

По масштабам и законам, которым подчиняются явления выделяют три уровня строения материи: микромир, макромир, мегамир.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, то есть это то, что не видно невооруженным глазом человека. Пространственная размерность микрообъектов исчисляется от 10^–18 до 10^–10 м, а продолжительность жизни (τ) от ∞ до 10^–24 с. Это мир молекул, атомов, фундаментальных частиц. Все микрочастицы имеют двойственную корпускулярно-волновую природу (корпускулярно-волновой дуализм). Двойственная природа микрочастиц была доказана в начале ХХ века. Причем при возрастании массы, начинает преобладать корпускулярная природа, при уменьшении – волновая. Но чтобы получить общую картину микромира, нужно учитывать как корпускулярные свойства, так и волновые, то есть эти свойства являются неразделимыми, комплиментарными. Из-за двойственной природы микрочастиц концепции классической физики оказались практически неприменимыми для описания микромира. И в первой половине ХХ века была создана новая фундаментальная теория – «квантовая химия» – наука, описывающая микромир.

Макромир составляют объекты, наблюдаемые человеком на Земле. пространственные величины их выражаются в «мм», «см», «м», «км», а время в «с», «мин», «час», «год». Макрообъекты состоят из микрочастиц, но их поведение и свойства описываются классической физикой.

Мегамир – это мир огромных космических масштабов и скоростей. Расстояния в мегамире измеряются световыми годами, а время существования космических объектов миллионами и миллиардами лет. Это мир планет, звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.

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 всегда получают конечные значения измеренных величин. К настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только микро- и макромира, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, то есть приближенные числа в пределах одного порядка).

Таблица 1

Материальные объекты	порядок величин, м
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^–7
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 малому размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых (данных) знаний об окружающем нас мире. «Мир наш – только школа, где мы учимся познавать», – сказал французский философ М. Монтень (1533–1592).

Хотя на микро-, макро-, и мегауровнях действуют свои специфические закономерности, все три названных уровня строения материи теснейшим образом взаимосвязаны.

В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым наряду с материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств и физическими приборами, существует реальность высшего порядка. Она обладает принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира. С их точки зрения мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального мира. Утверждается, что объектами мира высшей реальности являются не материальные системы (как в микро-, макро- и мегамирах), а некие идеальные физические и математические, структуры. Эти структуры проявляются в материальном мире в виде естественнонаучных законов. Однако, одних только законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, недостаточно для существования материального мира. Необходимо множество программ, определяющих поведение и эволюцию материальных объектов подобно тому, как знание уравнений не обеспечивает решения задачи. Необходимо еще и знание начальных условий. Если руководствоваться указанным подходом, каждая материальная система является воплощением некоторой идеальной структуры, а ее эволюция определяется некой программой. Программа в свою очередь предполагает определенную направленность развития, то есть его цель. Поскольку любая программа не может возникнуть сама собой, то, как считают некоторые физики–теоретики, Вселенной присущ творческий разум. Высший разум является вершиной в иерархической структуре Вселенной. Это Первоначало всего мироздания, возвышающееся над природой и человеком (Идеализм? Поиск научной истины ведет к Богу?).

6.2. Макромир: концепции классического естествознания

Современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе развития представлений классической науки, основой которой является классическая (ньютоновская) физика. Эта физика, точнее ее законы, применимы только к объектам макроуровня. Основа первой в истории науки физической картины мира была заложена в XVI в. Г. Галилеем. Это была механистическая картина мира. Г. Галилей обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции. Его заслугой является также то, что он разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть его в том, что предметом научного исследования становились некоторые физические и геометрические характеристики объекта (величина, фигура, количество, скорость движения и т.д.). Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента.

Сформулированный Галилеем метод исследования, оказал решающее влияние на становление классического естествознания.

И Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающее движение земных объектов и небесных тел одними и теми же законами (три закона механики). Природа рассматривалась, как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя – есть вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц–атомов, корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы, веса. Ньютоновский мир существует в трехмерном пространстве евклидовой геометрии. Это пространство абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время есть величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. В классической физике движение рассматривается, как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной в виде гигантского и полностью детерминированного механизма. События и процессы в таком механизме являют собой цепь взаимосвязанных причин и следствий. Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других теорий, опирающихся на механистическую картину мира. Однако были две области классической физики, где наблюдаемые экспериментально явления не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира: оптические и электромагнитные явления.

И. Ньютон, разрабатывая оптику, и следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц – корпускул. Согласно созданной им корпускулярной теории света, светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в соответствии с законами механики и вызывают ощущения света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, делались попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно – на основе волновой теории, сформулированной Х. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. Главным аргументом в пользу своей теории Х. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех, в точности как два ряда волн на воде. Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории, Х. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света. Позднее, обнаруженные явления дифракции и интерференции света вообще не поддавались объяснению на основе корпускулярной теории и были объяснены (англичанин Т. Юнг, француз О. Френель) в рамках волновой теории.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений.

Явление электромагнетизма открыл датский физик Х. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, англичанин М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Англичанин Дж. Максвелл стал разрабатывать идеи Фарадея о магнетизме и электричестве с использованием математических методов. Первоначально используемому вспомогательному математическому понятию «силовое поле» Максвелл придал физический смысл и стал рассматривать, как самостоятельную физическую реальность. Он писал: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био – Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Дж. Максвелл математическим путем нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исходя из этого Максвелл заключил, что свет представляет собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую предположил в 1845 году М. Фарадей, теоретически обосновал в 1862 году Дж. Максвелл, была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.

Так в физике к концу XIX века окончательно утвердилось понятие поля в качестве объективно существующей физической реальности: материя существует в двух видах (дискретное вещество и непрерывное поле).

Согласно представлениям классической физики

1) вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно, а поле непрерывно;

2) вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле – нет;

3) вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо;

4) скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

Последующее развитие физики (ХХ век) разрушило представление о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

6.3. Микромир: концепции квантовой механики

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

После экспериментального подтверждения гипотезы де Бройля (1927 г.) и обнаружения дифракции электронов, нейтронов, а затем атомов и даже молекул, открытия новых экспериментальных частиц, признание корпускулярно-волнового дуализма материи стало в физике всеобщим. Любой материальный объект характеризуется как наличием корпускулярных, так и волновых свойств.

Элементарные частицы. Их классификация и взаимодействия. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома называются элементарными. К ним также относят те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц. Термин «элементарная частица» означает простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что эти частицы имеют ту или иную структуру.

Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отнощению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя – фотоны. Частицы, имеющие массу покоя делятся на:

– легкие (лептоны) – электрон и нейтрино;

– средние (мезоны) – массой от 1 до 1000 масс электрона;

– тяжелые (барионы) их масса больше 1000 масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы).

Электрический заряд – другая важнейшая характеристика элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным, либо нулевым зарядом. Каждой частице, за исключением трех (двух мезонов и фотона) соответствует античастица с противоположным зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, электрон, протон и две разновидности нейтрино. Именно стабильные частицы играют важную роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют около 10^–10…10^–24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни

10^–23…10^–24 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически. Зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Кроме названных характеристик, элементарные частицы описываются спином и квантовыми числами. Спином называется собственный момент количества движения микрочастицы. Квантовые числа – целочисленные параметры, совокупность которых выражает энергетическое состояние элементарной частицы.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе). К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам – кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, то есть далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются, как условно элементарные. Это частицы составные, образованные из кварков и соответствующих квантов полей.

Гипотезу о существовании кварков высказал в 1967 году американский физик М. Теллманн. Кварки (андроны) – частицы, из которых состоят барионы и мезоны. Они обладают дробными электрическими зарядами, что вообще-то не характерно для микрочастиц и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Существуют десятки кварков, отличающихся друг от друга величиной, знаком электрического заряда и другими свойствами.

Частицы фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Элементарные частицы участвуют во всех видах взаимодействий.

Сильное и слабое взаимодействия были обнаружены в первой половине ХХ века и изучены еще недостаточно.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей-нуклонов. Оно короткодействующее, распространяется в пределах ядра атома, то есть радиус его действия составляет (0,1…1)·10^–15 м. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше энергия связи в ядре.

Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействия становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце периодической системы, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс называется радиоактивным распадом.

Слабое взаимодействие еще более короткодействующее (радиус действия менее 10^–16 м). Оно описывает ядерные превращения, связанные с распадом частиц. Например, с превращениями нейтрона в протон, или превращением нейтрона в электрон и антинейтрино, переходы между разного рода кварками и т.д. Большинство элементарных частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Электромагнитное взаимодействие характерно только для заряженных материальных объектов и проявляется во взаимном притяжении и отталкивании зарядов. Оно осуществляется электромагнитным полем, возникающим при движении электрических зарядов. Электромагнитное поле – это два связанных между собой поля: электрическое и магнитное. Первое возникает между неподвижными электрическими зарядами. Второе, магнитное, возникает при движении электрических зарядов. Характер электромагнитного взаимодействия (притяжение и отталкивание) зависит от знаков зарядов и направления их движения. Электромагнитное взаимодействие описывается законами Кулона, Ампера и теорией Дж. Максвелла. Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие дальнодействующее, радиус его действия неограничен. Оно примерно в 1000 раз слабее сильного. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра образуют атомы, атомы соединяются в молекулы. Электромагнитным по своей природе является и межмолекулярное взаимодействие, которое преимущественно определяет фазовое (агрегатное) состояние вещества.

1 2

Гравитационное взаимодействие самое слабое. Оно заключается во взаимном притяжении тел (материальных объектов) и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения, открытым Ньютоном «между двумя любыми телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними».

r

m₂

m₁

,

f – коэффициент пропорциональности, величина которого определяется только выбранными единицами массы, длины и времени. Радиус действия гравитационного взаимодействия не ограничен. В макро- и мегапроцессах ему принадлежит решающая роль, а в микропроцессах оно существенной роли не играет.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не возникали бы новые звезды и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространяться во Вселенной.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без гравитационного взаимодействия не было бы нашей Вселенной, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия – суперсилы. Доказательством этого является то, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так при энергии 100 млрд эВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10^–10 с после Большого взрыва (момент зарождения Вселенной). При энергии 10¹⁵ млрд эВ (ГэВ) к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий. Однако, это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно, хотя косвенно эти предположения подтверждаются астрофизическими данными.

В настоящее время физики считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных и столько же античастиц (шесть кварков, с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный» и «прелестный»), отличающиеся величиной заряда и другими свойствами, и шесть лептонов. Электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). Предполагается, что все обычное вещество состоит из четырех частиц: верхнего и нижнего кварков, электрона и электронного нейтрино. Остальные частицы создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц.

Характеристика квантов полей. Квантом гравитационного поля является гравитон, однако гравитон пока не обнаружен экспериментально. Не создана пока и теория квантовой гравитации.

Квантом электромагнитного поля является фотон. Масса покоя фотона равна нулю и фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитного взаимодействия и большой радиус его действия.

Квантами слабого взаимодействия являются три бозона – W⁺, W^–, Z⁰. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что определяет короткое действие.

Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов (от англ. glue – клей). Массы покоя глюонов равны нулю, однако они обладают цветным зарядом.

Сила взаимодействия определяется константой связи. В современную нам эпоху эволюции Вселенной константы связи различных фундаментальных взаимодействий соотносятся следующим образом:

а_S : a_E : a_W : a_G=1:1/137:10^–5:10^–39,

где а_S – константа связи сильного взаимодействия;

a_E – константа связи электромагнитного взаимодействия;

a_W – константа связи слабого взаимодействия;

a_G – константа связи гравитационного взаимодействия.

Современные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда, то есть рассматриваемые константы не являются постоянными. В эволюции Вселенной существовала эпоха, когда эти константы были равны, то есть не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Следовательно, возможно создание единой теории всех физических взаимодействий, единой теории поля. Это является ближайшей задачей современной теоретической физики.

Основные положения современной атомистики формулируются следующим образом:

1) Атом является сложной материальной структурой. Каждый атом состоит из ядра, состоящего из сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов, и электронной оболочки. При примерно одинаковой массе протоны отличаются от нейтронов наличием положительного заряда условно принятого за +1. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Число нейтронов в ядре определяет его заряд и место элемента в периодической системе элементов. Согласно кварковой модели протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего.

2) Атом представляет собой мельчайшую частицу химического элемента. У каждого элемента существуют разновидности атомов. Однако все атомы данного элемента имеют одинаковый заряд ядра, то есть число протонов в нем. Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона. Электрон имеет отрицательный электрический заряд, принятый за –1. Число электронов в оболочке атома равно числу протонов в ядре и, таким образом, атом представляет собой электрически нейтральную систему.

3) Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого. Эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (в ядерных реакторах).

Каково происхождение кварков и лептонов? Являются ли они действительно фундаментальными кирпичиками природы? На эти вопросы физика ищет ответы.

6.4. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Мегамир (или космос) с точки зрения современной науки – взаимодействующая и развивающаяся система всех небесных тел. Уровнями ее организации являются: планеты; планетные системы, возникающие вокруг звезд; звезды и звездные системы – галактики. Все существующие галактики входят в систему высшего порядка, называемую метагалактикой. Размеры метагалактики очень велики: ее радиус порядка 15…20 миллиардов световых лет. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир. Термин «метагалактика» обозначает тот же мир, но с точки зрения его структуры – это упорядоченная система галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Современная космология – это сложная, комплексная система естественнонаучных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний.

Современные космологические модели Вселенной. В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная в целом считалась равновесной и неизменной. Эти представления господствовали до первой трети ХХ века. В 20-е…40-е года была выдвинута идея эволюции Вселенной на основе теории Большого взрыва и расширения Вселенной. Согласно этой теории Вселенная расширяется и галактики как бы отодвигаются друг от друга. Одним из основоположников этой теории является российский математик Александр Фридман. Предполагается, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением отдельных ее составных частей. Определяющую роль в космологических процессах играет гравитация. Теоретической основой современной космологии является релятивистская теория тяготения, разработанная А. Эйнштейном. Согласно этой теории метрика пространства и времени определяются распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи (р_ср). Выведенное А. Эйнштейном основное уравнение тяготения имеет не одно, а множество решений, отсюда наличие многих космологических моделей Вселенной. Фридман получил (1922 г.) решение уравнений Эйнштейна, описывающее расширяющуюся Вселенную.

Согласно расчетам А. Фридмана, возможны три варианта эволюции Вселенной.

1. Средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равно некой критической величине

р_ср = р_кр.

По расчетам Американского астронома Э. Хаббла (1929 г.)

р_кр ≈10^–29 г/см³.

3. Средняя плотность вещества и излучения во Вселенной меньше этой критической величины

р_ср < р_кр.

4. Средняя плотность вещества и излучения больше критической величины

р_ср > р_кр.

В первом случае мировое пространство оказывается эвклидовым (то есть трехмерным) и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Во втором случае пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. В третьем случае расширение сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния (геометрия пространства Римана).

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем, однако, система галактик расширяется (1929 г. Э. Хаббл) и это считается научно установленным фактом.

Согласно теоретическим расчетам бельгийского ученого Ж. Леметра (1927 г.) радиус Вселенной в первоначальном точечном состоянии был 10^–14 м, ее плотность (р) составляла 10⁹⁶ г/см³. В этом сверхплотном (сингулярном) состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Теоретические расчеты определяют возраст Вселенной 13…20 миллиардов лет. Ученик Фридмана Г. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Согласно его расчетам, Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.

Космологический постулат. Современная космология исходит из представления об однородности Вселенной (причем в самых разных смыслах). Во-первых, Вселенная однородна в том смысле, что структурные элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются и физические константы, по-видимому, с большой степенью точности одинаковы повсюду, то есть те же, что и в нашей области Вселенной, включая Землю. Таким образом, галактика, находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас, выглядит в основном так же, как наша. Спектры атомов, законы атомной физики и законы химии там идентичны известным на Земле. Это обстоятельство позволяет распространять открытые в земной лаборатории законы физики на более широкие области Вселенной.

Во-вторых, говоря о космической однородности Вселенной, имеют в виду также однородность распределения вещества. Вещество Вселенной «разбросано» в виде сгустков (звезд, скоплений звезд в виде галактик). Эти сгустки распределены одинаково во всей Вселенной. Таким образом, Вселенная в крупных масштабах однородна (одинакова во всех областях) и изотропна (одинакова во всех направлениях).

Космологический постулат разделяют большинство астрономов, но не все.

Представление об однородности Вселенной предполагает, что Земля не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения.

Существуют «закрытые» и «открытые» теоретические модели будущего Вселенной. Согласно «закрытой» модели в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Примерно через 30 миллиардов лет она начнет сжиматься. Полный цикл сжатия и расширения Вселенной составляет примерно 100 миллиардов лет.

Таким образом, Вселенная представляется грандиозной закрытой системой, испытавшей множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (метагалактики) могут изменяться. Например, могут изменяться фундаментальные физические константы.

«Открытые» космологические модели представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии со II началом термодинамики в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла от более горячих тел менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной, что приведет к прекращению физических процессов из-за перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. Уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут и через 10¹⁵ лет начнут покидать свои галактики. Через 10¹⁹ лет галактики постепенно превратятся в черные дыры. Через 10⁹⁶ лет дыры испарятся, а через 10¹⁰⁰ лет наступит окончательная смерть Вселенной.

Однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.

Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба. Перечислим основные проблемы.

Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной. Признание этого противоречит материалистическим утверждениям о вечности, несотворимости времени и пространства. Естественно-научным обоснованием начала и конца времени существования Вселенной является теорема, доказанная в 1965 году английскими физиками-теоретиками Пенроузом и Хокингом. Согласно этой теореме в любой модели Вселенной с расширением должна быть сингулярность – обрыв линий времени в прошлом и будущем.

Вторая проблема связана с сотворением мира из ничего. Материалисты отвергают возможность творения, поскольку вакуум – это не ничто, а особый вид материи. Однако у Фридмана в расчетах момент начала расширения пространства выводится не от сверхмалого объема, то есть , а с нулевого объема υ = 0. Вопрос остается открытым.

Самая большая трудность у ученых – в объяснении причин эволюции Вселенной. Можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

В концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, другой реальности не существует. Идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма (творения) эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Эта программа направлена к появлению жизни. Конечная цель эволюции космоса – появление человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца. Среди современных физиков-теоретиков имеются сторонники обеих концепций.

Дата добавления: 2014-01-07