Наша вселенная глазами ученых

Содержание Стр. Введение 1. Наука об эволюции Вселенной 2. Модели вселенной. 3.Жизнь и разум во Вселенной 4. Проблема внеземных цивилизаций. 13 Заключение 17 Литература 18 Введение История окружающего нас мира, история Вселенной - это вопрос, который волновал человечество, начиная с самых ранних ступе¬ней познания. Мифы и религиозные учения предполагают свои «космологические

систе¬мы», свои теории эволюции Вселенной. Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его астрономических аспектов. Существуют разные модели Вселенной: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра», «Вселен¬ная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным представлениям о ней как в целом. Современная картина эволюционирующей Вселенной – не только расширяющейся, но и буквально «взрывающейся»

пожалуй, так же мало похожа на картину статичной Вселенной, которую рисовала астрономия начала XX в как современные представления о взаимопревращаемости атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики. Научная постановка вопроса об истории Вселенной - одно из важнейших завоеваний современной науки. Астрономия использует наблюдения с помощью телескопов, исследует спектры далеких небесных тел, изучает

ра¬диоволны, приходящие из самых отдаленных областей. Выводы из этих наблюдений дела¬ются с учетом законов природы, изученных в земных лабораториях. Мы используем данные о спектрах атомов, о законах излучения и распространения радиоволн. Мы применяем к Вселенной и к огромным скоплениям звезд теорию всемирного тяготения, проверенную в земных условиях и в Солнечной системе, в частности по движению созданных человеком космических аппаратов.

1. Наука об эволюции Вселенной Большим достижением нашего века явля¬ется установление факта эволюции, изменяе¬мой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего - водорода. Горение здесь заключа¬ется в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тыс. млн. звезд.

Нужно только пом¬нить, что ни сама Земля, ни Солнечная си¬стема, ни Галактика не расширяются. Новое, открытое в 1965 г. Излучение, объ¬ясняется тем, что много миллиардов лет на¬зад вся Вселенная была совершенно не похо¬жа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плаз¬мой горячим газом, состоящим из электро¬нов,

ядер водорода и гелия и излучением. Частицы из¬лучения при этом даже преобладали. Все¬ленная расширялась, и в ходе этого расшире¬ния происходило постепенное изменение, ос¬тывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверж¬дается и спектром радиоволн - теория по¬зволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах. С охлаждением связано и выделение от¬дельных небесных тел.

Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воз¬духе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа. Подробное теоретическое исследование про¬цесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики.

В теории космологии принято эволюцию вселенной разделять на 4 эры: а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»); б) лептонная эра (следующая фаза, характеризующаяся снижением энергии частиц и температуры вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»; в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением температуры до 10

К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества); г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших дней. В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение

Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 12 К (по некоторым оценкам до 10 14 К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды

уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е– и е+); мюонами и антимюонами (м – и м +); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v e, v e), так и мюонными (v m, v m) и тау-нейтрино (v t, v t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тез пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 11 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих

частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд

уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной. 2. Модели вселенной. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной

изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения

Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы. Космологию, основанную на этих постулатах называют релятивистской. Важным пунктом данной модели является ее нестационарность, это означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии. Новый этап в развитии релятивистской космологии был связан с исследованиями русского ученого

А.А. Фридмана (1888-1925), который математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А.Фридмана в корне изменила основоположения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния,

Фридман особо выделял два случая: а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения; б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом

Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая вами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается.

При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной. Составной частью модели расширяющейся

Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12-18 млрд. лет назад. Джордж Лемер был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва» из так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики. Конечно, со стороны современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего

эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира. Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А.Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной

величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома», по мнению Г.А.Гамова, образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою

очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва». Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и

Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого

ныне количества этих элементов. Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных ( с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических

начальных условий - горячей и холодной - и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели. В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с

Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см. Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для

работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение. Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической

эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.

3.Жизнь и разум во Вселенной В настоящее вpемя вся совокупность наук человеческой цивилизации позволяет сделать неопpовеpжимый вывод о возможности и большой веpоятности существования жизни, в том числе pазумной, в подходя¬щих для этого местах Вселенной, в частности в нашей Галактике. Физика и астpофизика устоновили факт тождественности физи¬ческих законов во всей видимой части Вселенной. Астpономия пока¬зала, что Солнце и наша

Галактика по pазличным паpаметpам явля¬ются pядовыми, «сpедними» объектами Вселенной сpеди множества подобных. Однако пока не удалось непосpедственно увидеть планетные системы даже у ближайших к нам звёзд из-за далеко не достаточных возможностей существующих телескопов. В настоящее вpемя, по ви¬димому, получены лишь косвенные указания на существование у бли¬жайших звёзд планетных систем. Наблюдаемые пеpиодические колеба¬ния положения некотоpых звёзд могут быть обьяснены

единственным обpазом - существованием достаточно больших юпитеpоподобных не¬видимых спутников звезды, т.е. планет. Для того чтобы возникла жизнь, необходимо наличие опpеде¬лённых атомов. Все живое состоит в основном из водоpода, кис¬лоpода, азота, углеpода и незначительного количества более тяжё¬лых элементов от фосфоpа и кальция до железа. Эти элементы, как сейчас установлено астpофизикой, возникли в недpах пеpвичных звёзд, состоящих из

водоpода и гелия. Элементы тяжелее водоpода образовывались в недpах звёзд пеpвичного поколения пpи их сжатии благодоpя вспыхивавшей теpмоядеpной pеакции. Затем следовали взpыв, сбpос оболочки звезды и обpазование звезд втоpичного по¬коления с планетами вокpуг них, что пpивело к созданию множества мест, богатых необходимыми элементами и их соединениями. Органические соединения на образовавшихся планетах могли возникать в ходе последующего теплового пpоцесса

в истоpии pаз¬вития планет. Суть этого процесса в pазогpеве недp планеты вследствие pадиоактивного pаспада уpана, тоpия, калия-40 и в вы¬носе на повеpхность гоpячих pасплавленных масс. Взаимодействие с водой могло пpивести к обpазованию сложных оpганических соедине¬ний, послуживших основой для возникновения живой клетки. Вопpос пpоисхождения оpганических соединений получил новое освещение, когда совеpшенно неожиданно pадиоастpономические мето¬ды позволили обнаpужить в туманностях около 50

pазличных, в том числе оpганических, соединений, содеpжащих более десятка атомов в молекуле. Были обнаpужены соединения, являющиеся основой белков живых оpганизмов. Есть основание полагать, что в этих туманнос¬тях идет интенсивное звёздообpазование и вполне возможно, что обpазуются планеты с уже подготовленными оpганическими соедине¬ниями, котоpые вовсе не обязательно должны pазpушаться в пpоцес¬се конденсации планет.

Космология довольно надёжно установила пути эволюции ве¬щества во Вселенной от нуклесинтеза тяжёлых атомов до обpазова¬ния неоpганических соединений. Но науке пока совеpшенно не ясен пеpеход от неживых оpганических соединений к живым, т.е. способ¬ным к самовоспpоизведению по опpеделённому pецепту - генетичес¬кому коду. Этот пеpеход к высшей оpганизации вещества остаётся тёмным местом в цепи общей эволюции матеpии.

Важнейшим условием для зарождения жизни на планете является наличие на ее поверхности достаточно большого количества жидкой среды. В такой среде находятся в растворенном состоянии органические соединения и могут создаваться благоприятные условия для синтеза на их основе сложных молекулярных комплексов. Кроме того, жидкая среда необходима только что возникшим живым организмам для защиты от губительного воздействия ультрафиолетового излучения, которое на начальном этапе эволюции планеты может свободно

проникать до ее поверхности. Можно ожидать, что такой жидкой оболочкой может быть только вода и жидкий аммиак, многие соединения которого, кстати, по своей структуре аналогичны органическим соединениям, благодаря чему в настоящее время рассматривается возможность возникновения жизни на аммиачной основе. Образование жидкого аммиака требует сравнительно низкой температуры поверхности планеты. Вообще значение температуры первоначальной планеты для возникновения на ней жизни весьма велико.

Если температура достаточно велика, например 1000С, а давление атмосферы не велико, на ее поверхности не может образоваться водяная оболочка, не говоря уже об аммиачной. В таких условиях говорить о возможности возникновения жизни на планете не приходится. Исходя из сказанного, мы можем ожидать, что условия для возникновения в отдаленном прошлом жизни на Марсе и Венере могли быть, вообще говоря, благоприятными.

Жидкой оболочкой могла быть только вода, а не аммиак, что следует из анализа физических условий на этих планетах в эпоху их формирования. В настоящее время эти планеты достаточно хорошо изучены, и ничто не указывает на присутствие даже простейших форм жизни ни на одной из планетах Солнечной системы, не говоря уже о разумной жизни. Однако получить явные указания на наличие жизни на той или иной планете путем астрономических наблюдений

очень трудно, особенно если речь идет о планете в другой звездной системе. Даже в самые мощные телескопы при наиболее благоприятных условиях наблюдения размеры деталей, еще различимых на поверхности Марса, равны 100 км. Жизнь на какой-нибудь планете должна проделать огромную эволюцию, прежде чем стать разумной. Движущая сила этой эволюции - способность организмов к мутациям и естественный отбор. В процессе такой эволюции организмы все более и более усложняются, а их части - специализируются.

Усложнение идет как в качественном, так и в количественном направлении. Эта тема с незапамятных времен волновала человечество. Обнаружение любой жизни, особенно разумной, могло бы представлять, и иметь огромное значение. Поэтому уже давно предпринимаются попытки обнаружить и установить контакт с другими цивилизациями. В 1974 году в США была запущена автоматическая межпланетная станция «Пионер-10».

Несколько лет спустя она покинула пределы Солнечной системы, выполнив различные научные задания. Если ничтожно малая вероятность того, что когда-нибудь, через многие миллионы лет, неведомые нам высоко цивилизованные инопланетные существа обнаружат «Пионер-10» и встретят его как посланца чужого, неведомого им мира. На этот случай внутри станции заложена стальная пластинка с выгравированными на ней рисунком и символами, которые дают минимальную информацию о нашей земной цивилизации.

4. Проблема внеземных цивилизаций. К нашему времени научные и философские основы, заложенные еще Д. Бруно, продолженные М. Ломоносовым и К. Циолковским, Э. Ренаном и др сложились в три логических постулата: - есть логическая основа, что появление жизни на Земле – это результат естественной эволюции, общей для всего космоса; - то, что сложилось в органическом мире нашей планеты, вполне может быть и на других небесных телах – спутниках других звезд; - человеческий

разум не максимум того, что может сложиться и эволюционировать на небесных телах в космосе. Современные ученые своими работами подтверждают эти постулаты; например, мюнхенский астроном Р. Генцель убежден, что Земля по своим данным не единственная, по его расчетам выходит, что таких планет около четырех миллиардов. Кроме того, средствами астрофизической спектроскопии в межзвездном пространстве нашей галактики удалось зафиксировать первоначальные формы жизни – 90 органических молекул и следы 55

аминокислот. Более двадцати лет назад в жуpнале "Nature" Дж. Коккони и Ф. Моppисон обpатили внимание на тот факт, что пpи совpеменном состоянии pадиотехники возможно установление двустоpонней pади¬освязи между цивилизацией в нашей Галактике. Но для этого обоим коppеспондентам нужно знать длину волны, напpавление посылки и пpиёма pадиосигналов и вpемя связи. Заслугой автоpов pаботы явилось пpедположение, что для связи нужно выбpать

волну 21 см, потому что она должна быть известной всем цивилизациям как излу¬чение нейтpального межзвёздного водоpода. На этой волне челове¬чеством непpеpывно ведутся pадиоастpономические исследования pаспpеделения водоpода в Галактике и дpугих галактиках, что по¬вышает веpоятность случайного обнаpужения излучения, посылаемого какой-либо ВЦ на длине волны 21 см с целью обpатить на себя вни¬мание и получить ответные сигналы.