Возникновение вселенной

 
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВСЕЛЕНОЙ

Вселенная самая  крупная материальная система. Её происхождение  интересует людей ещё с древних  времён. Вначале Вселенная была «безвидна  и пуста» (Быт.,1,2),- так сказано  в Библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова её структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времён. Однако даже крупнейшие достижения естествознания XX в. не дают полностью исчерпывающие ответы. В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина: 
«Мы, возводя соборы космогоний, 
Не внешний в них отображаем мир, 
А только грани нашего незнания». 
Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 году А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной. 

Важный  шаг в решении космологических  проблем сделал в 1922 году профессор  Петроградского университета А. А. Фридман (1888 – 1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться или сужаться. 
 
Следующий шаг был сделан в 1924 году, когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889 – 1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и открыл тем самым мир галактик. В 1929 году в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до неё, т. е. 
V=Hr` 
Где H – постоянная Хаббла.   
С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет примерно 15млрд лет, а это означает, что вся Вселенная 15млрд лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По какой-то причине ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва. 
В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из неё следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. 
По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX века Г.А. Гамовым (1904-1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось. 
Из этой модели следует два вывода: 
- вещество, из которого зарождались первые звёзды, состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%); 
- в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому называется реликтовым. 
 
 Модель Большого Взрыва 
 
Итак, одна из современных теорий – теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.  
В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 – 20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым.  
Возвращаясь к сгустку перед БВ, нужно отметить, что достоверно неизвестно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далёкие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их такими, какими они были примерно 10 – 14млрд лет назад.  
Г.А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении задолго до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос – Солнце. Современные методы анализа излучения звёзд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звёздах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвёздном пространстве водород и гелий находятся в атомарном состоянии. Теория БВ полностью согласуется с наблюдаемой распространённостью гелия во Вселенной.  
Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвёздные атомы водорода и гелия служат сырьём для образования новых звёзд. Заметим, что распределение газа в межзвёздном пространстве неоднородно. Имеются выраженные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определённой области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество превысит в какой-либо области критическое значение порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлёту газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвёздной пыли сгустка, гигантское уплотнение и…взрыв! 
 
 
 
 
 

Ранний  этап эволюции Вселенной. Эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее структур. Этапы различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами.

Адронная  эра продолжалась 10^-7 с. На этом этапе температура понизилась до 1013 К, появились все четыре фундаментальных взаимодействия, прекратилось свободное существование кварков.

Лептонная эра продолжалась 1 с. Температура Вселенной понизилась до Ш10 К. Главными ее элементами были лептоны. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино.

Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1 млн лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходило соединение протонов и нейтронов. К концу этого этапа Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало реликтовое излучение.

Затем почти 500 тыс. лет не происходило  никаких качественных изменений  — шло медленное остывание  и расширение Вселенной. Когда она остыла до 3000 К, образовалась однородная Вселенная.   

   После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. Спустя  млрд лет после начала образования Вселенной из случайных уплотнений вещества стали появляться галактики и звезды.  

 Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10—20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями.

Звезды  рождаются из космического вещества в результате его конденсации  под действием гравитационных, магнитных и других сил.        -

Рождение  звезд в галактике происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Источник собственного свечения звезд - термоядерная реакция, превращающая водород в гелий. 

 С  момента начала этой реакции  звезда переходит на главную  последовательность, в соответствии  с которой будут изменяться  с течением времени ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический  состав и масса. 
 
 

Эволюция  форм жизни.       

Клетки без  ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые  водоросли. Возраст таких самых  древних организмов около 3 млрд. лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание  и способность записать пищу и  энергию; 3) защита от нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражительность; 6) приспособление к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.

На следующем  этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные  организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые простые из них – амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит фромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие – радиолярии и фораминиферы – основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.  

Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел  выбор растительного или животного  образа жизни. Первый важный результат  растительной деятельности – фотосинтез – создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза – кислород в атмосфере.

Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

Веками накапливавшиеся  остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом  океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

К важным свойствам  живых систем относятся:

1. компактность. В 5х10-15гр. ДНК, содержащейся в  оплодотворенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего  большинства признаков животного, которое весит 5х10 7гр. (масса возрастает на 22 порядка).

2. Способность  создавать порядок из хаотического  теплового движения молекул и  тем самым противодействовать  возрастанию энтропии. Живое потребляет  отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с  окружающей средой веществом,  энергией и информацией. Живое  способно ассимилировать полученные из вне вещества, т. е. Перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. В метаболических  функциях большую роль играют  петли обратной связи, образующиеся  при автокаталитических реакциях. «В то время как в неорганическом мире обратная связь между «следствиями» (конечными продуктами) нелинейных реакций породившими их «причинами» встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь (как установлено молекулярной биологией), напротив, является скорее правилом, чем исключением» (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – С.209). автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу – если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции) имеет место в живых системах. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь.

5. Жизнь качественно  превосходит другие формы существования  материи в плане многообразия  и сложности химических компонентов  и динамики протекающим в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого – результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.

6. В самоорганизации  неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в  самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы  сложны.

7. У живых  систем есть прошлое, у неживых  его нет. «Целостные структуры  атомной физики состоит из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы – не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток» (Гейзенберг В. Цит. Соч.-С. 233).

8. жизнь организма  зависит от двух факторов –  наследственности, определяемой генетическим  аппаратом, и изменчивости, зависящей  от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно , что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность  к избыточному самовоспроизводству. «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию – естественному отбору» (Дарвин Ч. Соч. Т. З.-М-Л., 1939.-С 666).   
 
 
 
 
 
 
 

2.Разобравшись  с тем, что происходит на  Земле, Ньютон попытался описать  самую большую физическую систему - Вселенную... 
 
Для этого Ньютон сделал гениальное предположение –  
пусть законы, установленные на Земле, будут действовать и во всей Вселенной,  
т.е. эти законы будут мировыми законами.

В конце 17 века считалось, что Вселенная - шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.

Между частицами - звездами действуют, как считал Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться  в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс

Показать коллапс в движении

Но если Вселенная - бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.

Ньютон  делает гениальный вывод:  
Вселенная является бесконечной и стационарной (т.е. неизменной во времени),  
но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива. 

Что же делать? Ньютон не успел больше ничего совершить, и  Мир ждал появления следующего гения  – Эйнштейна. 

3.ВОПРОС

Эйнштейн  рассмотрел Вселенную, которая также  была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу - силу отталкивания.

Теперь  Вещество во Вселенной удерживается двумя силами - притяжения и отталкивания.