Реферат по естествознанию
Тема: Современная наука о происхождении Вселенной.
Выполнилстудента
_________курса
_______________________
Преподаватель:
_______________________
_______________________
1996
ПЛАН РЕФЕРАТА :
Введение 3
Донаучное рассмотрениепроисхождения Вселенной. 5
Теории ХХвека о происхождении Вселенной. 8
Современнаянаука о происхождении Вселенной. 12
Использованная литература: 18
Введение
На всем протяжении своегосуществования Человек изучает окружающий его мир. Будучи мыслящим существом,Человек как в отдаленном прошлом, так и сейчас, не мог и не можетограничиваться тем, что ему непосредственно дано на уровне его повседневнойпрактической деятельности, и всегда стремился и будет стремиться выйти за еепределы.
Характерно то, чтопознание окружающего мира человеком началось с космогонических размышлений.Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о «началевсех начал». История не знает ни одного народа, который рано или поздно втой или иной форме не задался этим вопросом и не пытался бы ответить на него.Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного развитияданного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический прогресспозволили продвинуться в разрешении вопроса о возникновении Вселенной от мифологическогомышления к построению научных теорий.
Проблема «началамира» — одна из тех немногих мировоззренческих проблем, которые проходятчерез всю интеллектуальную историю человечества. Появившись однажды на белыйсвет, идея «начала мира» с тех пор всегда занимала мысли ученых ивремя от времени в том или ином обличии вновь и вновь всплывает на поверхность.Так, казалось бы, навсегда похороненная во времена средневековья, онанежданно-негаданно появилась на горизонте научной мысли второй половины ХХ столетияи стала всерьез обсуждаться на страницах специальных журналов и на заседанияхпроблемных симпозиумов.
За истекшее столетие наука о Вселенной добралась до самых верхних этажей структурной организацииматерии — галактик, их скоплений и сверхскоплений. Современная космологияактивно взялась за проблему происхождения (формирования) этих космическихобразований.
Как же представляли себеобразование Вселенной наши далекие предки? Как объясняет происхождениеВселенной современная наука? Рассмотрению этих и других связанных свозникновением Вселенной вопросов посвящается данный реферат.
Донаучное рассмотрениепроисхождения Вселенной.
С чего все пошло? Как всекосмическое стало таким, каким оно предстает перед человечеством? Какими былите исходные условия, которые положили начало наблюдаемой Вселенной?
Ответ на эти вопросыменялся с развитием человеческой мысли. У древних народов происхождениеВселенной наделялось мифологической формой, сущность которой сводится к одному- некое божество создало весь окружающий Человека мир. В соответствии сдревнеиранской мифопоэтической космогонией Вселенная является результатомдеятельности двух равносильных и взаимосвязанных творящих начал — бога Добра — Ахурамазды и бога Зла — Ахримана. Согласно одному из ее текстов, прасуществом,разделение которого привело к образованию частей видимой Вселенной, былизначально существующий Космос. Мифологическая форма происхождения Вселеннойприсуща всем существующим религиям.
Многие выдающиесямыслители далеких от нас исторических эпох пытались объяснить происхождение,строение и существование Вселенной. Заслуживают особого уважения их попытки приотсутствии современных технических средств посредством только своего ума ипростейших приспособлений осмыслить сущность Вселенной. Если совершитьнебольшой экскурс в прошлое, то обнаружится, что идея эволюционирующейВселенной, взятой на вооружение современной научной мыслью, вывигалась ещедревним мыслителем Анаксагором (500-428 до н.э.). Заслуживает внимания икосмология Аристотеля (384-332 до н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока Ибн Сины (Авиценна) (980-1037), пытавшегося логически опровергнуть божественноетворение мира, и других, дошедших до нашего времени имен.
Человеческая мысль нестоит на месте. Вместе с изменением представления о строении Вселенной,менялось и представление о ее происхождении, хотя в условиях существующейсильной идеологической власти религии это было связано с определеннойопасностью. Может этим и объясняется тот факт, что естествознаниеновоевропейского времени избегало обсуждения вопроса о происхождении Вселеннойи сосредоточилось на изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традициянадолго определила общее направление и саму методику астрономического, а затеми астрофизического исследований. В результате основы научной космогонии былизаложены не естествоиспытателями, а филисофами.
Первым на этот путьступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести «происхождениесветил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян» идать единое механическое объяснение всей совокупности известных емуастрономических, физических и биологических явлений. Однако идеи Декарта былидалеки от современной ему науки.
Поэтому историю научнойкосмогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшегокартину «механического происхождения всего мироздания». Именно Кантупринадлежит первая в научно-космогоническая гипотеза о естественном механизмевозникновения материального мира. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданнойтворческим воображением Канта, существование бесчисленного количества другихсолнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывноеобразование новых миров и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательноеи практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материальногомира. Вселенная перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных ивечных. Теперь перед изумленным человеческим разумом предстала мировая гармониясовершенно иного рода — естественная гармония систем взаимодействующих иэволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья однойцепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенностидальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что послекантовскаякосмогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХвека речь шла только о происхождении планет, тогда как звезды и их системыоставались за горизонтом теоретического анализа. Второй особенностью являетсято, что ограниченность наблюдательных данных, неопределенность доступнойастрономической информации, невозможность опытного обоснования космогоническихгипотез в конечном счете обусловили превращение научной космогонии в системуабстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, нои от родственных разделов астрономии.
Теории ХХ века о происхожденииВселенной.
Следующий этап в развитиикосмологии относится к ХХ веку, когда советский ученый А.А.Фридман (1888-1925)математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А.Фридмана вкорне изменила основоположения прежнего научного мировоззрения. По егоутверждению космологические начальные условия образования Вселенной былисингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная ссингулярного состояния, Фридман особо выделял два случая:
а) радиус кривизныВселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения;
б) радиус кривизныменяется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярноесостояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения,далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д.
В чисто математическомсмысле сингулярное состояние предстает как ничто — геометрическая сущностьнулевого размера. В физическом же плане сингулярность предстает как весьмасвоеобразное состояние, в котором плотность вещества и кривизнапространства-времени бесконечны. Вся сверхгорячая, сверхискривленная исверхплотная космическая материя буквально стянута в точку и может, пообразному выражению американского физика Дж. Уилера, «протискиватьсясквозь игольное ушко».
Переходя к оценкесовременного взгляда на сингулярное начало Вселенной, необходимо обратитьвнимание на следующие важные особенности рассматриваемой проблемы в целом.
Во-первых, понятиеначальной сингулярности имеет достаточно конкретное физическое содержание,которое по мере развития науки все более детализируется и уточняется. В этомотношении его следует рассматривать не как понятийную фиксацию абсолютногоначала «всех вещей и событий», а как начало эволюции того фрагментакосмической материи, который на современном уровне развития естествознания сталобъектом научного познания.
Во-вторых, если, посовременным космологическим данным, эволюция Вселенной началась 15-20миллиардов лет назад, то это вовсе не значит, что до того Вселенная еще несуществовала или же пребывала в состоянии вечного застоя.
Достижения наукирасширяли возможности в познании окружающего Человека мира. Предпринималисьновые попытки объяснить с чего же все началось. Жорж Леметр был первым, ктопоставил вопрос о происхождении наблюдаемой крупномасштабной структурыВселенной. Им была выдвинута концепция «Большого Взрыва» такназываемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики. Конечно, с высоты современногоастрофизического знания данная концепция представляет лишь историческийинтерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материии ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла всовременную научную картину мира.
Принципиально новый этапв развитии современной эволюционной космологии связан с именем американскогофизика Г.А.Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячейВселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующейВселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов,плотность которых достигала чудовищной величины — один кубический сантиметрпервичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого«первоатома» по мнению Г.А.Гамова образовался всоеобразныйкосмологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где ипроизошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца — отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в своюочередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущихатомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».
Горячая модель представляласобой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверкисвоих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Альфер и Германеще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточногоизлучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалосьдать удовлетворительное объяснение естественному образованию ираспостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилосьпричиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Какоказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечитьвозникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
Ученые стали искать иныефизические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б.Зельдовичвыдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазмасостояла из смеси холодных ( с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденныхчастиц — протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизикиИ.Д.Новиков и А.Г.Дорошкевич произвели сравнительный анализ двухпротивоположных моделей космологических начальных условий — горячей и холодной- и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощьюизучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытатьсяобнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичногоизлучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые несуществуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.
Почти в то же времягруппа американских исследователей во главе с физиком Робертом Дикке, не знаяоб опубликованных результатах работы Гамова, Альфера и Германа, возродила исходяиз иных теоретических соображений горячую модель Вселенной. Посредствомастрофизических измерений Р.Дикке и его сотрудники нашли подтверждениесуществования космического теплового излучения. Это эпохальное открытиепозволило получить важную, ранее недоступную информацию о начальных порахэволюции астрономической Вселенной. Зарегистрированное реликтовое излучениеесть не что иное, как прямой радиорепортаж об уникальных общевселенскихсобытиях, имевших место вскоре после «Большого Взрыва» — самогограндиозного по своим масштабам и последствиям катастрофического процесса вобозримой истории Вселенной.
Таким образом, врезультате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначнорешить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавшихна ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячаямодель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердилисьвсе теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Издвух исходных гипотез теории — о нейтронном составе «космического яйца»и горячем состоянии молодой Вселенной — проверку временем выдержала толькопоследняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом уистоков ныне наблюдаемого космологического расширения.
Современная наука опроисхождении Вселенной.
На нынешней стадииразвития физической космологии на передний план выдвинулась задача созданиятепловой истории Вселенной, в особенности сценария образования крупномасштабнойструктуры Вселенной.
Последние теоретическиеизыскания физиков велись в направлении следующей фундаментальной идеи: в основевсех известных типов физических взаимодействий лежит одно универсальноевзаимодействие; электро-магнитное, слабое, сильное и гравитационноевзаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегосяпо мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначеговоря, при очень высоких температурах (превышающих определенные критическиезначения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а напределе все четыре типа взаимодействия сводятся к обному единственномупротовзаимодействию, называемому «Великим синтезом».
Согласно квантовой теориито, что остается после удаления частиц материи ( к примеру, из какого-либозакрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым вбуквальном смысле слова, как это считала классическая физика.Хотя вакуум несодержит обычных частиц, он насыщен «полуживыми», так называемымивиртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточновозбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем,создаваемым внесенными в него заряженными частицами.
Но что же все такиявилось причиной «Большого Взрыва»? Судя по данным астрономиифизическая величина космологической постоянной, фигурирующей в энштейновскихуравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но даже будучи стольничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия.Развитие квантовой теории теории поля привело к еще более интересным выводам.Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, вчастности зависит от температуры. При сверхвысоких температурах,господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи,космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительнойпо знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом вакуум мог находиться вчрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных силотталкивания. Именно эти силы и послужили физической причиной «БольшогоВзрыва» и последующего быстрого расширения Вселенной.
Рассмотрение причин ипоследствий космологического «Большого Взрыва» было бы не полным безеще одного физического понятия. Речь идет о так называемом фазовом переходе(превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советскиеученые-физики Д.А.Киржниц и А.Д.Линде первыми обратили внимание на то, что вначальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась всверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичныефизические процессы (фазовые переходы).
Дальнейшее изучениекосмологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело кновым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них — обнаружение ранеенеизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходекосмологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайнобыстрого расширения, при котором ее размеры увеличились во много раз, а плотностьвещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшимначало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкиеизменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространствахарактеризуются фантастическими цифрами. Так предполагается, что всянаблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размеромменьше 10 в минус 33 степени см! Вакуумный пузырь, из которого образоваласьнаша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной долеграмма.
В настоящее время еще нетвсесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождениякрупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись впонимании естественных путей ее формирования и эволюции. С 1981 года началасьразработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Кнастоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории.Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозногообщекосмического катаклизма, именуемого «Большим Взрывом», впоследующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.
Согласно предположениямученых, спустя 10 в минус сорок третьей степени секунд после «БольшогоВзрыва» плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (10 в94 степени грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя попорядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтомугравитационный эффект первобытной физической «пустоты» был незаметен.Однако в ходе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали,тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело крезкому изменению физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секундыпосле «Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, азатем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится большеее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума — его силыотталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается)и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этотпроцесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любомурасширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33степени секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. Врезультате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от однойфаза переходит в другую. Речь идет о фазовом переходе первого рода — скачкообразномизменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с нейфизических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космическогофазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловуюэнергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается допервоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима еерасширения.
Не менее интересен, а вглобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретическихизысканий — принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в еефизическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблемупроисхождения Вселенной.
Оказалось, что вопрекинекоторым недавним теоретическим прогнозам ( о том, что начальную сингулярностьне удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности)существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствоватьбеспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.
Еще в конце тридцатыхгодов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массуСолнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимосжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличие от сингулярностикосмологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (поимени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствияэнштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типасингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что перваясингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая- конечным.
Согласно недавнимтеоретическим представлениям гравитационный коллапс должен завершиться сжатиемвещества буквально «в точку» — до состояния бесконечной плотности. Поновейшим же физическим представлениям коллапс можно остановить где-то в районепланковской величины плотности, т.е. на рубеже 10 в 94 степени грамм/ см.кубический. Это значит, что Вселенная возобновляет свое расширение не с нуля, аимея геометрически определенный (минимальный) объем и физически приемлемое,регулярное состояние.
Академик М.А.Марковвыдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этойкосмологической модели старые теоретические трудности, если не решаютсяокончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным угломзрения. Модель основана на гипотезе согласно которой при резком уменьшениирасстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данноепредположение — следствие другого допущения, согласно которому константагравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.
Согласно теории Маркова,всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходитв стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрическиехарактеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условиявполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физическойреализации вечно осциллирующей Вселенной.
Использованная литература:
1) В круге вечного возвращения? Три гипотезы.-- М.: Знание,1989.- 48с.--(Новое вжизни, науке, технике.Сер.«Знак вопроса»;№4).
2) Как устроена машина времени? — М. : Знание, 1991. -- 48с. — (Подписная научно-популярная серия «Знак вопроса»;№5).
3)Краткий Философский Словарь.Под ред. М.Розенталя и П.Юдина. Изд. 4, доп. и испр… М.-- гос.изд. полит. лит. ,1954.
4)Кто, Когда, Почему?--гос. изд. дет. лит., Министерство Просвещения РСФСР, М.-- 1961.
5)Происхождение солнечной системы. Под ред. Г.Ривса. Пер. с англ. и франц. под ред. Г.А.Лейкина и В.С.Сафронова. М, «МИР»,1976.
6)Украинский Советский Энциклопедический Словарь.В 3-х томах / Редкол.: ответ. ред. А.В.Кудрицкий--К.: Глав. ред. УСЭ,--1988.
7)Человек и мироздание: Взгляд науки и религии.--М.: Сов. Россия1986.
8) Что ищут «археологи космоса» ?-- М.: Знание, 1989. -- 48 с., с ил.--(Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Знак вопроса»;№12)
9)Что такое? Кто такой?: В 3 т. Т. 1. -- 3-е изд., перераб. Ч 80 и доп.-- М.:«Педагогика-пресс», 1992. --384 с.: ил.
10)Беседы о Вселенной.--М.: Политиздат, 1984.--111с.--(Беседы о мире и человеке).