Государственная Полярная Академия 
 
 
 
 

Кафедра Геоэкологии

Реферат по дисциплине «Концепция современного естествознания»

На тему:

«Вселенная  в атоме. Атомы  Вселенной» 
 

                                                             Выполнил: студент 271 гр.

                                                             Зарунский Станислав 

                                                             Проверил: доцент кафедры геоэкологии,

                                                             кандидат биологических наук

                                                             Беляков В.П. 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Со  второй половины 19 века человечество совершило значительный скачек в астрономии и космологии. Быстрое развитие техники позволило создать мощнейшие телескопы, позволившие значительно расширить знания о вселенной. Тем самым представление человека о макромире очень сильно изменилось за последнее столетие. В 20 веке различными учеными на основе возросшего количества информации было предложено большое количество различных моделей вселенной. В то же время физика достигла своего рассвета, это позволило опытным путем все глубже проникать в структуру атома. Было открыто ядро атома, электроны, более мелкие субатомные частицы.

     Однако, ни на каком этапе изучения вселенной или атома человек ни мог с уверенностью сказать о полноте своих познаний. А неизвестные вещи человеку очень часто свойственно уподоблять уже известным предметам или же другому непознанному. Возможно, именно отсюда и возникает представление о невероятной схожести микромира и макромира. И действительно, такое сравнение вполне обоснованно и имеет право на существование. Рассмотрим строение Вселенной: Вселенная состоит из примерно 200 млн. галактик. Галактики состоят из приблизительно 50000 Звёздных систем. Строение Звёздных систем рассмотрим на примере строения Солнечной системы: в центре Солнечной системы находится Солнце, вокруг которого по орбитам двигаются планеты, а вся Солнечная система окружена облаком Оорта. Теперь зададимся вопросом: «Что нам всё это напоминает?». А напоминает всё это строение тел. Любое тело состоит из молекул, а молекулы в свою очередь состоят из атомов. Строение атома похоже на строение Солнечной системы: в центре атома находится ядро, а вокруг ядра по орбитам движутся электроны и сам атом окружён электронным облаком. Электронное облако, как и облако Оорта в солнечной системе, является пределом, границей отделяющей его от других атомов.

     Такое простое сравнение представляется логичным, но, все же, для полного понимания данной проблемы следует ознакомиться с историей формирования подобного представления и с точкой зрения современной науки.

     Такое представление хоть и заманчиво, однако осмыслить его человеку достаточно трудно, ведь оно предполагает бесконечное  деление материи, а представить себе бесконечность для человека очень трудно ввиду его собственной конечности и конечности окружающего его обыденного мира. Возможно именно поэтому теория Вселенной в атоме не находит широкого принятия в академической науке. А может быть она все-таки еще недостаточно обоснована? Это мы и попытаемся выяснить в данной работе. 
 
 
 
 
 
 
 
 

История вопроса

     Еще два с половиной тысячелетия  назад перед философами древнего мира встал вопрос: что будет, если вещество дробить на все более  мелкие кусочки? Есть ли пределы этому дроблению и каковы могут быть наименьшие размеры вещества?

     Пока  философы спорили над этими вечными  вопросами, физики работали — дробили  вещество на все более мелкие части. Вещество — на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы. При ближайшем рассмотрении оказалось, что и эти элементарные частицы не так уж элементарны — они, в свою очередь, состоят из множества других.

     На  сегодняшний день физики полагают, что наименьшими частицами Вселенной могут оказаться кварки — гипотетические частицы, существование которых ещё не доказано абсолютно достоверно. В случае же, когда кварки займут место наименьшей составляющей материи, их, несомненно, постараются разбить на составляющие. [1]

     Есть  ли вообще конец этой цепочке деления? Многих философов и ученых этот вопрос заводит в тупик. Ответить на него однозначно на сегодняшнем этапе нельзя. В случае, если конца делению нет, значит, мир непознаваем. А такой постулат противоречит материалистической теории. Если же предел существует, то мы приходим к исчерпанию всех свойств мира. Но ведь процесс познания, согласно той же материалистической философии, бесконечен.

     Античность и Средневековье. Как мы уже говорили выше, подобные идеи рождались у человечества еще в античности. То, что материя делится до бесконечности, утверждал ещё Аристотель, Анаксагор же писал еще в 5 в. до н.э., что в каждой частице, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас». В средневековье такая множественность миров имела другой характер.  В религиозном смысле эта аналогия понималась как соответствие бога и человека, созданного по образу и подобию божьему. [5, стр.12]

     Новое время. Еще одним известным ученым и философом, поддерживающим подобную теорию, был Кант. В основу его космологических представлений легло признание существования бесконечного количества звездных систем, которые могут объединяться в системы более высокого порядка. В то же время каждая звезда со своими планетами и их спутниками образует систему подчиненного порядка. Вселенная, следовательно, не только пространственно бесконечна, но и структурно многообразна, поскольку в состав ее входят космические системы разных порядков и размеров. Выдвигая это положение, Кант приближался к идее о структурной бесконечности вселенной, которая получила более полное развитие в космологическом течении современника Канта, немецкого ученого И. Г. Ламберта. [5, стр. 13]

     В рамках классической космологии этот парадокс пытались разрешить в модели иерархического строения Вселенной, разработанной Карлом Шарлье на основе идеи Ламберта. В 1908 году он опубликовал теорию строения Вселенной, согласно которой Вселенная представляет собой бесконечную совокупность входящих друг в друга систем все возрастающего порядка сложности. В этой теории отдельные звезды образуют галактику первого порядка, совокупность галактик первого порядка образует галактику второго порядка и далее до бесконечности. На основании такого представления о строении Вселенной Шарлье пришел к выводу, что в бесконечной Вселенной фотометрический парадокс устраняется, если расстояния между равноправными системами достаточно велики по сравнению с их размерами. Это приводит к непрерывному уменьшению средней плотности космического вещества по мере перехода к системам более высокого порядка. Для устранения парадокса требуется, чтобы плотность вещества падала быстрее, чем обратно пропорционально квадрату расстояния от наблюдателя. Такая зависимость плотности вещества в Метагалактике не наблюдается, поэтому современное объяснение парадокса Ольберса основано на других принципах (например, учитывается красное смещение, используется общая теория относительности). Однако сама идея о сложном строении Вселенной и вложенности систем разного уровня остаётся и развивается. [4, стр. 92-94]

     Ирландский  учёный Фурнье Д'Альба в 1907 г. в своей работе «Два новых мира. Инфрамир и супрамир» сделал предположение, что иерархическая лестница простирается также вовнутрь материи, в сторону уменьшения. У Фурнье Д’Альба знаменатель прогрессии, то есть отношение линейных размеров звезды и атома или размеров звезды супрамира и звезды данного уровня материи, являющейся атомом супрамира, выражается числом 10²². Такое соотношение пространственных размеров Фурнье Д’Альба распространил и на время. Одна секунда на «нулевом» уровне по мнению Фурнье Д’Альба равна сотням триллионов лет в инфрамире, а секунда в супрамире равна сотням триллионов земных лет. [4. стр. 95]

     Все вышеперечисленные идеи были подтверждены в начале 20 века моделью атома  Нильса Бора (завершенная и доработанная модель Резерфорда, одного из учителей Бора). Эту модель часто называют «планетарной» — в ней, подобно тому, как планеты вращается вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра. Но такой атом не может быть устойчивым: под действием кулоновского притяжения ядра каждый электрон движется с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам классической электродинамики, должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Количественный расчет показывает, что такая «радиационная неустойчивость» атома катастрофична: примерно за стомиллионную долю секунды все электроны должны были бы потерять энергию и упасть на ядро. Но в действительности ничего такого не происходит, и многие атомы вполне стабильны. Возникла проблема, которая могла показаться неразрешимой. И она действительно не могла быть разрешена без привлечения радикальных новых идей. Именно такие идеи и были выдвинуты Бором. [1]

     Он  утверждал, что (вопреки законам механики и электродинамики) в атомах существуют такие орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают. Излучение же происходит только при переходе электрона с одной устойчивой орбиты на другую, и вся освобождающаяся при этом энергия уносится одним квантом излучения. Именно введение Бором такого понятия, как орбиталь, только по которой могут двигаться электроны вокруг ядра, еще больше заставили весь мир задуматься о сходстве процессов микромира и макромира. [2,стр. 33-34]

     Разрабатывали эту проблему и Российские ученые. Известный во всем мире советский физик А.А. Фридман допускал такое множество миров в атомах и говорил об их замкнутости на самих себе, о том, что все внутри них относительно и что даже свет может идти по искривленной траектории и вернуться к своему источнику так и не вырвавшись наружу.  Академик А. А. Марков, попытавшийся описать подобный мир математически, назвал такие образования фридмонами — в честь впервые указавшего на возможность их существования Фридмана.  Кроме того, Марков утверждал, что атомы в зависимости от своей структуры могут быть не обязательно солнечными системами, это могут быть и галактики, и даже вселенные. [1]

Современные представления

     Основные  результаты в такой теории были получены в начале XXI века. Этому способствовал прорыв в исследовании Вселенной благодаря искусственным спутникам, современным средствам наблюдения — инфракрасным телескопам и компьютерный анализ накопленного материала, а также систематизация знаний в области элементарных частиц. Появилось все больше доказательств правдоподобности такой теории, хотя она до сих пор считается ненаучной и определяется как находящаяся лишь на стадии гипотез так как она противоречит основному господствующему представлению о Вселенной.

     В настоящее время над разработкой  этой гипотезы, все же, работает достаточно большое количество ученых. Например американский физик Роберт Олдершоу, в ряде работ с 1978 года развивал модель космологического самоподобия. Он выделил три основных уровня материи — атомный, звёздный и галактический уровни, причём два последних уровня ближе друг к другу, чем к атомному уровню. На данных уровнях материя сосредоточена в основном в виде нуклонов и звёзд, а звёзды также в своём большинстве входят в состав галактик. Олдершоу отмечает, что подавляющее количество вещества в космосе содержится в самых лёгких элементах — в водороде и в гелии, а на уровне звёзд в — в звёздах-карликах с массами 0,1 — 0,8 солнечных масс. Кроме этого, имеется много и других примеров подобия: например, отношение размеров самых больших атомов к размеру нуклона того же порядка, что и отношение размера больших звёздных систем к размеру нейтронной звезды. Кроме того, он установил, что атомы демонстрируют зависимость между радиусами и периодами колебаний электрона, очень похожую на закон Кеплера для планет. Им были систематизированы и обработаны данные о изменениях во Вселенной и атомах и он установил, часто наблюдаются выбросы материи одинаковой формы в звёздных и галактических системах. Он установил, что зависимости между спином и массой, между магнитным моментом и спином имеют одинаковую форму у атомных и звёздных систем. [3]

     Определение коэффициентов подобия по массе, размерам и времени протекания процессов  между атомными и звёздными системами Олдершоу осуществляет через сопоставление Солнечной системы и атомов. При этом водороду соответствуют звёзды с массами порядка 0,15 солнечных масс. В результате такого сопоставления становится возможным делать достаточно точные предсказания масс и размеров звёзд, галактик, размера протона, периодов вращения галактик и так далее.

     Другим  ученым, поддерживающим данную теорию является корейский исследователь Юн Пио Янг, который в своей работе «Фрактальная Космология» ( Фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба) пришел к выводу, что атомные системы подобны галактическим. Он также критикует теорию Большого взрыва в связи с логическим противоречием — на больших масштабах соседние космические объекты никогда не совершат более одного оборота друг возле друга из-за постоянного расширения Вселенной, невзирая на гравитационную связь между ними. Исходя из идеи рекурентной космологии, путём сравнения размеров ядер галактик и атомных ядер, галактик и атомов, скоплений галактик и молекул определяется коэффициент подобия по размерам, с величиной приблизительно 10³⁰. Такое же значение выводится и для коэффициента подобия по времени, связывающего длительности однотипных процессов в атомных и галактических системах.