Современная картина мира

В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности (СТО). Опубликованная в 1905 г. работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» позволила разрешить многие физические проблемы, которые не укладывались в рамки классических представлений о пространстве и времени. Одним из важных выводов СТО является положение о взаимосвязи таких философских категорий, как пространство и время.

Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет.

Перейдя от инерциальных систем отсчета к системам отсчета, движущимся с ускорением, и введя теорию тяготения, А Эйнштейн в 1916 г. формулирует общую теорию относительности (ОТО). Решая уравнения общей теории относительности, можно построить математическую модель Вселенной, ее геометрию и поведение вещества. Российский ученый

Стр. 23

А. А. Фридман (1922), решая уравнение ОТО, пришел к выводу о том, что Вселенная не может быть стационарной, как предполагал сам А. Эйнштейн. Она должна либо сжиматься, либо расширяться. Единственным допущением, которое сделал А. А. Фридман, было предположение о пространственной однородности вещества во Вселенной.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл, исследуя небо на самом большом телескопе, диаметр которого составлял 100 дюймов, сделал два очень важных открытия, которые стали ключевыми в развитии современной космологии: изотропность галактик во Вселенной и «красное смещение».

Исследовав более 5 млн галактик, Э. Хаббл установил, что в любом направлении насчитывается одинаковое их количество - 131, т. е. в космических масштабах вещество распределено в пространстве равномерно. Таким образом, предположение А. А. Фридмана о равномерности распределения вещества во Вселенной оказалось верным.

Другим очень важным открытием явилось так называемое «красное смещение», которое заключается в том, что длина волн спектральных линий галактик увеличивается. Такое смещение длин волн можно интерпретировать как доплеровский эффект, связанный со скоростью удаления от нас галактик (источников света). Таким образом, Э. Хаббл своими наблюдениями экспериментально доказал, что Вселенная расширяется, и теоретические предсказания А. Фридмана блестяще подтвердились.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр независимо от А. А. Фридмана, анализируя решения ОТО, выдвинул гипотезу о возникновении Вселенной из точки и ее дальнейшем расширении. Такой процесс возникновения Вселенной Ж. Леметр представил в виде большого взрыва.

Эту идею развил американский ученый русского происхождения Г. Гамов. Им была предложена концепция формирования Вселенной из сверхплотного, сверхгорячего (сингулярного) состояния, которая получила в дальнейшем название концепции «горячей Вселенной». С ее помощью Г. Гамов пытался объяснить происхождение химических элементов. Его математические расчеты показывали, что в процессе эволюции Вселенной можно выделить два этапа. Опуская вопрос о возникновении материи, к первому периоду развития следует отнести примерно 1 млн лет, когда излучение преобладало над веществом. Затем в результате расширения и охлаждения материи наступила эра доминирования вещества, которая продолжается по сей день. Возраст же Вселенной, по данным разных авторов, колеблется в интервале 12-20 млрд лет. По расчетам Г. Гамова, а затем и других ученых после процесса нуклеосинтеза излучение должно остаться, продолжая движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной, и сохраняться до нашего времени. Такое остаточное (реликтовое) излучение было открыто американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1964 г., за что в 1978 г. они были удостоены Нобелевской премии.

Стр. 24

Из двух существовавших в то время космологических теорий - теории расширяющейся Вселенной (начальное состояние, из которого возникла Вселенная, было очень плотным и горячим; затем Вселенная стала расширяться и охлаждаться, образуя звезды и галактики) и теории стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разрежение вещества компенсируется его непрерывным творением) - космология Большого взрыва Г. Гамова заняла прочное место в современной науке. Вторая теория не предсказывает и не может объяснить существование реликтового излучения.

Попробуем проследить динамику эволюции Вселенной, начиная с временного интервала t = 10^-42 с после взрыва. Расчеты показывают, что на данный момент времени вещество имело плотность = 10⁹⁶ кг/м³ при температуре T=10³²К, а спустя всего 1с эти величины имели значения = 5 10⁸ кг/м³ и T=10¹⁰ К это время свободные кварки (антикварки), лептоны (антилептоны) и фотоны, составляющие, по представлению ученых, всю материю Вселенной, претерпевают глобальные изменения.

В самом начале (t ~ 10^-4 с) идет процесс образования адронов (анти-адронов) и лептонов (антилептонов). Количество вещества примерно одинаково. В конце этого периода (1с) произошла аннигиляция частиц и античастиц, но в силу целого ряда законов микромира осталось некоторое количество вещества, послужившее «кирпичиками» для построения нашей Вселенной.

Следующим этапом является синтез ядер легких элементов (Н, Не) из оставшихся протонов и нейтронов (адронов). По времени этот этап занял примерно 3 мин.

Затем наступает этап рекомбинации, входе которого свободные протоны и электроны кооперируются за счет взаимного притяжения и формируют нейтральные атомы самых легких элементов таблицы Менделеева (водород и гелий). Этот процесс уже длится в своей активной фазе 700 000 лет.

Стр. 25

Таким образом, через миллион лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена нейтральными атомами водорода и гелия, а также фотонами. Имеющиеся неоднородности плотности вещества развивались в скопления галактик. В самих галактиках формировались скопления звезд, планетарные системы.

Дата добавления: 2014-11-29