Бесконечность материи и развитие вселенной

     В доступных пространственно-временных  масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей.

     5. Современное изучение вселенной

     Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом  деле существует много других галактик, разделенных огромными областями  пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько  велики, что, в отличие от положений  близких звезд, видимые положения  галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к  косвенным методам. Видимая яркость  звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких  звезд и расстояние до них мы можем  измерить; следовательно, мы можем вычислить  и их светимость.

     И наоборот, зная светимость звезд в  других галактиках, мы могли бы вычислить  расстояние до них, измерив их видимую  яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся  достаточно близко для того, чтобы  можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них  такую же светимость, мы сумеем вычислить  расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд  одной и той же галактики дадут  один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать  надежной.

     Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика - одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в  современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь  содержит сотни тысяч миллионов  звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий  в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста  тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной! 

     Закон тяготения Ньютона говорит, что  чем дальше тела друг от друга, тем  меньше сила их взаимодействия. Согласно этому закону, гравитационная сила притяжения звезды составляет ровно  четверть силы притяжения такой же звезды, но находящейся на вдвое  меньшем расстоянии. Закон Ньютона  позволяет с большой точностью  предсказать орбиты Земли, Луны и  планет. Если бы закон всемирного тяготения  был иным и сила гравитационного  притяжения уменьшалась быстрее, чем  по закону Ньютона, то орбиты планет были бы не эллипсами, а спиралями, сходящимися  к Солнцу. Если же гравитационное притяжение убывало бы с расстоянием медленнее, то притяжение удаленных звезд оказалось  бы сильнее притяжения Земли. 

     А, еще, вселенная оказалась очень шумным местом В ходе эксперимента ARCADE специалистами NASA было обнаружено, что наша Вселенная наполнена радиошумом в 6 раз больше, чем считалось раньше. На данном этапе, ученые не могут объяснить причину столь высокого шума, но известно точно, что источником не является Млечный путь и древние звезды. Результаты экспериментов дадут новые ответы в изучении появления новых звезд. К сожалению, из-за столь большого уровня шума не будет возможности рассматривать дальние звезды, т.к. они являются и самыми тихими. 

     Большинство объектов во Вселенной излучают на радио частоте. К таким объектам относят, к примеру, пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звезды. Сильное магнитное поле вокруг звезд создает четко направленные потоки излучения. Данные потоки с определенной периодичностью направлены на наблюдателя и со стороны кажется, что они пульсируют. В 2006 году был запущен воздушный шар с оборудованием на высоту 40 километров над Землей и в ходе эксперимента ARCADE проводился сбор данных радиодиапазона во Вселенной. На рассмотрение всей полученной информации учёным понадобилось больше 2 лет.

     6.  Рождение и развитие  вселенной. 

     Астрономы полагают, что время, пространство и  материя возникли как результат  одномоментного события: взрыва чего-то горячего и очень плотного, так  называемого Большого взрыва, который  произошёл от 10 до 20 млрд. лет назад.

     В первые миллионные доли секунды - а  расширение Вселенной происходило  с неимоверной быстротой - произошли  многие важнейшие процессы. Именно начальный момент возникновения  вещества вызывает огромный интерес  у представителей разных наук. Эксперементы, направленные на изучение связанных  с этим явлений, проводят учёные занимающиеся физикой элементарных частиц. Атомы - это кирпичики, из которых строятся все разновидности материальных объектов, от песчинок до людей, от планет до звёзд. Хотя атомы очень малы, они состоят из частиц ещё меньших, которые появились во время Большого взрыва и по прошествии миллиардов лет образовали галактики. Энергия  взрыва была столь огромной, что  галактики и скопления галактик всё ещё продолжают удаляться  друг от друга.

     Наша  Вселенная родилась очень горячей и сразу начала расширяться и остывать. Высокая плотность и температура делают невозможным существование сколько-нибудь сложных образований. Поэтому в очень молодой Вселенной нет не только привычных нам атомов, не только их ядер, но даже самое простое ядро, водородное, то есть одиночный протон, не может долго существовать. Вещество Вселенной являет собой кипящий «суп» из элементарных частиц и квантов излучения, которые непрерывно превращаются друг в друга согласно знаменитой формуле теории относительности E = mc2. 

     Чтобы протон мог чувствовать себя «спокойно», Вселенной надо остыть до температуры, когда энергия частиц становится меньше массы протона. Только с этого  момента имеет смысл говорить о «химическом составе», и поначалу он более чем прост: это чистый водород. Помимо протонов в плотном  веществе присутствуют также электроны  и нейтроны, содержание определяется условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются  нейтроны, которые потом самопроизвольно  распадаются на протоны и электроны, столкновение нейтрона и позитрона (античастица электрона) дает протон. Также в этих реакциях испускаются  нейтрино.

     Затем в истории Вселенной наступает  эпизод, в котором условия напоминают нынешнее состояние вещества в недрах звезд и водород может превращаться в более тяжелые элементы. Начинается первичный нуклеосинтез — образование  тяжелых элементов из более легких. Но длится это недолго — всего  несколько минут. Плотность и  температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия.

     Все начинается с самой простой реакции: протон объединяется с нейтроном, образуя  ядро дейтерия — тяжелого водорода. Получив дейтерий, природа продолжает «играть в конструктор», пока это  позволяют плотность и температура и так далее.

     После долгих «темных веков» во Вселенной  зажигаются первые звезды. В их недрах при температуре около 10 миллионов  градусов и плотности в несколько  раз выше, чем у самого плотного металла на Земле, снова возникают  условия для игры в алхимический конструктор — начинается звездный нуклеосинтез. Первое время эта игра весьма похожа на ту партию, что разыгрывалась  сразу после рождения Вселенной. 

     И вот наконец по прошествии миллиардов лет в гигантской реторте Вселенной  сложились условия для того, чтобы  смог появиться гомункулус. Жизнь, какой  мы ее знаем, не могла бы возникнуть в течение первого миллиарда  лет после Большого взрыва — тогда просто не было в достаточном количестве многих необходимых элементов. 

     Каждая  частичка нашего тела прошла через  космическое горнило. Часть атомов водорода могла остаться неизменной со времени «первых трех минут», но основная доля составляющих его  элементов появилась в звездах  на стадии устойчивого термоядерного  горения. Многие ядра возникли во время  вспышек сверхновых. Другие — были выброшены звездами в виде кружева  планетарных туманностей. Возможно, крохотная доля ядер связана со столкновениями космических лучей с веществом  межзвездного газа, когда идут интереснейшие  «реакции скалывания», в которых  быстрая частица выбивает ядра легких элементов. Для появления человека понадобилась целая «лаборатория»  космического алхимика.

     Состав  вещества во Вселенной продолжает медленно изменяться и в наши дни: усилиями триллионов звезд доля элементов  тяжелее гелия постепенно растет. Наблюдения показывают, что у звезд  с большей «металличностью», то есть содержанием элементов тяжелее  гелия, выше вероятность возникновения  планетных систем. А значит, химическая эволюция Вселенной пока благоприятствует появлению разумных существ, сделанных  из «звездного вещества». И все же стоит помнить, что подобной переработке  подвергается лишь малая часть материи  во Вселенной. В целом же водород  так и останется самым распространенным ее элементом, просто потому, что далеко не все вещество сможет попасть в  звезды (например, у межгалактического  газа нет такой перспективы). Если же вспомнить, что и это вещество составляет от силы пять процентов  на фоне колоссальной массы темной материи и темной энергии, то вы почувствуете, насколько же невероятно повезло  в этом тому комочку вещества, который  смог оглянуться по сторонам и оценить  величие окружающего мироздания.

     Заключение 

     За  последние годы астрономы сделали  в невообразимых глубинах космоса  немало открытий, которые поразили не только широкую публику, по и их самих. 
Такие выражения, как «квазары» (quasi-stellar objects, т е. звездоподобные объекты) или ГЗО (голубые звездоподобные объекты), выносятся в заголовки газетных статей. Светящиеся точки, расположенные в миллиардах миллиардов километров от нас, наводят ученых на размышления о далеком прошлом и далеком будущем Вселенной.

     Бесконечна  ли Вселенная или у нее где-то есть конец? Быть может, она то расширяется, то сжимается, подобно аккордеону, причем каждое такое движение длится миллиарды  лет? Или она взорвалась когда-то один-единственный раз и ее осколки  будут разлетаться все дальше и дальше друг от друга, пока наш  осколок не останется совершенно одиноким в своей вселенной? Или  же Вселенная непрерывно обновляет  сама себя, оставаясь извечной, нерожденной  и бессмертной?

     Нашему  поколению повезло — мы живем  в тот период развития астрономии, когда ответы на все эти и на многие другие столь же волнующие  вопросы, кажется, вот-вот будут найдены.

     Такое положение возникло совершенно внезапно. Небесные тела и астрономические  явления, открывающие перед астрономами  небывалые перспективы, до 60-х годов  нашего века были еще неизвестны. Ракеты и искусственные спутники, благодаря  которым астрономы получают теперь столько новых сведений, взвились в небо только в 50-х годах. Радиотелескопы, обнаружившие самые неожиданные  чудеса, появились лишь в 40-х годах. 
Собственно говоря, если бы мы вернулись на какие-нибудь 2500 лет назад, примерно в 600 г. до н. э., то обнаружили бы, что вся известная человеку Вселенная сводится к клочку плоской Земли — и притом к весьма небольшому клочку.

     И в наши дни непосредственному  восприятию человека доступно только то же самое — маленький клочок плоской Земли и, разумеется, небосвод над головой с маленькими светящимися точками и кружками. И небосвод этот кажется совсем близким.

     Какой же ход логических рассуждений заставил эти видимые нами тесные пределы  раздвигаться все больше, и больше, и больше, теряясь в неизмеримой  дали, так что теперь человеческий разум не в силах ни объять Вселенную, о которой мы говорим, ни представить, насколько ничтожно по сравнению  с ней все то, что нас окружает? 
 

     Литература 

1. А. Эйнштейн. Собрание научных трудов. Том4 -М.:Наука, 1967 - 600с.=
2. Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр. Пер. с англ. Н. Я. Смородинской. — СПб.: «Амфора», 2001. — 268 с
3. http://ru.wikipedia.org
4. Журнал "Вокруг Света", апрель 2008 «Вселенская алхимия».
5. http://www.universe2003.narod.ru/ 
6. А. Азимов  Вселенная. От плоской Земли до квазаров ; Перевод с англ. П. С. Гурова. - М. : Мир, 1969. - 352 с.,