Глоссарий к лекции

Бифуркация – вилообразное разделение на два возможных равноправных варианта развития системы.

Внутренняя энергия – это форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело. Если система не совершает работы, то в соответствии с первым началом термодинамики, внутренняя энергия равна тепловой энергии.

Динамический хаос – состояние открытой нелинейной системы, когда возможно появление состояния (бифуркации), в котором эволюция системы имеет вероятностный характер. При этом нелинейные системы как бы «выбирают сами» различные траектории развития.

Квантовая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения квантовых микрообъектов (электронов, атомов, молекул). В основе лежит волновое уравнение Э. Шредингера, данное им в 1926 г.

Принцип детерминизма (причинности) – принцип, устанавливающий причинно-следственную связь между явлениями и допустимыми пределами влияния физических событий друг на друга. Он исключает влияние данного события на все происшедшие, а также требует отсутствия взаимного влияния событий, пространственное расстояние между которыми столь велико, а временной интервал между ними столь мал, что они не могут быть связаны сигналом (например, световым).

Принцип дополнительности – одно из фундаментальных положений квантовой теории, согласно которому получение экспериментальной информации об одних величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым (см. Соотношение неопределенностей).

Релятивистская механика – наука, рассматривающая классические законы механического движения тел (частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света.

Самоорганизация – скачкообразный процесс, приводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии

27

критического состояния (точки бифуркации), в новое устойчивое состояние. Сильнонеравновесная самоорганизация приводит к увеличению уровня сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Синергетика – наука о самоорганизации, т. е. наука о сложных системах, целью которой является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения структур в неравновесных системах различной природы.

Соотношение неопределенностей – фундаментальное свойство микрообъектов и микромира (микрофизики), в целом всей квантовой физики, квантового мировоззрения, состоящее в невозможности установить точные значения дополнительных друг другу физических величин (координат и импульса, энергии и времени) одновременно, поскольку микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Степени свободы – число независимых координат, которые полностью определяют положение тел в пространстве.

Уравнение Шредингера – основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, позволяет находить возможные состояния и их изменения во времени через волновую функцию.

Флуктуации – случайные отклонения физических величин (например, плотность, температура) от их среднего значения, характеризующих систему из большого числа частиц.

Энтропия – физическая величина, определяющая меру хаоса (беспорядка).

28

Тесты к лекции

10.1Статистическая теория позволяет описать…

1)поведение систем точными значениями физических характеристик

2)поведение систем вероятностями значений физических характеристик

3)точно предсказать поведение систем в критический момент развития

4)непредсказуемое поведение систем

10.2Среди названных ниже теорий укажите динамическую:

1)классическая механика

2)квантовая механика

3)кинетическая теория газов

4)неравновесная термодинамика

10.3В процессе самоорганизации системы происходит образование ___________ структуры.

1)равновесной неустойчивой

2)неравновесной устойчивой

3)неравновесной неустойчивой

4)равновесной, неспособной к равновесию

10.4Энтропия является количественной мерой…

1)упорядоченности

2)и порядка, и хаоса

3)беспорядочности и хаотичности

4)изменения энергии

10.5В процессе сублимации йода (переход из твердого состояния в газообразное) его энтропия …

1)сначала увеличивается, а затем уменьшается

2)возрастает

3)не изменяется

4)уменьшается

29

ТЕМА 5 ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Лекция 11 Концептуальные основы современной космологии

11.1Космология как наука о Вселенной

11.2Концепция Большого взрыва

11.1 Космология как наука о Вселенной

Начиная с самых ранних этапов своей истории, человек стремился понять, как устроен окружающий мир.

Пристально вглядываясь в небо, древние люди обнаружили периодичность смены дня и ночи (сутки), смену фаз Луны (месяц), смену климатических условий (год). За несколько тысячелетий до н. э. они наблюдали пять светил, которые, передвигаясь на фоне неподвижных звезд, описывали в небе петли. Греки назвали их блуждающими, что в переводе означает – планеты, и дали им имена богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. К ним же были причислены вращающиеся без петель Луна и Солнце, составляя вместе великолепную семерку.

Семь – стало священной цифрой (семь дней недели, семь «чудес света» и т. п.). Лженаука – астрология – по расположению планет стала предсказывать судьбу людей и целых стран, до сих пор пожинает плоды бездумной траты средств, времени и человеческого ума.

Первые попытки понять, как устроена наша Вселенная, были сделаны в Древней Греции. Так согласно Аристотелю, Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Мир разделен на две области: область Земли (в ее основе четыре элемента: земля, вода, воздух и огонь) и область Неба (в ее основе – эфир). Пространство мироздания – конечно. В нем расположены твердые кристально-прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется вращением указанных сфер, производимого «Перводвигателем Вселенной», он не материален, ибо это

30

есть Бог – разум мирового масштаба. Таким образом, согласно космологическим представлениям Аристотеля, Вселенная шарообразна и неоднородна.

Птолемей усовершенствовал геоцентрическую модель Аристотеля. В центре – Земля, она неподвижна; вокруг нее по окружностям вращаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. При этом, чем быстрее движется небесное тело, тем ближе к Земле оно расположено. Кроме того, планеты вращаются по эпициклу, как показано на рисунке 11.1, где изображен фрагмент модели Птолемея.

Рисунок 11.1 – Геоцентрическая модель мира Птолемея

Проведя строгое определение центров эпициклов, Птолемей добился поразительных результатов в предсказании расположения планет в любой момент. Этими результатами человечество пользовалось 1400 лет.

31

Основы новой астрономии, правильного научного мировоззрения были заложены великим польским ученым Николаем Коперником (1473–1543 гг.). Осознав, что в центре мира – Солнце, Коперник в своей знаменитой книге «Об обращении небесных сфер» естественным образом объяснил смену дня и ночи вращением Земли вокруг своей оси, а причину смены времен года – в сохранении неизменным в пространстве наклона оси суточного вращения Земли к плоскости ее орбиты в процессе движения нашей планеты вокруг Солнца. Петлеобразное движение других планет – следствие их одновременного перемещения с Землей и наблюдателем. Коперник впервые точно указал порядок размещения известных в его время небесных тел вокруг Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, покоящаяся сфера неподвижных звезд.

Коперниковская гелиоцентрическая система мира положила конец старой аристотелевско-птолемеевской геоцентрической системе. Возникло принципиально новое миропонимание, содержащее важный тезис о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненным некоторым общим закономерностям единой механики.

Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившегося жизнью за свои убеждения, был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548–1600 гг.). Он пошел дальше Коперника, отрицая наличия центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о ее бесконечности. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружающим его планетам. Он считал, что многие из бесчисленного количества миров обитаемы и, по сравнению с Землей, «если не больше и не лучше, то, во всяком случае, не меньше и не хуже».

Следующий важный этап в понимании устройства Вселенной был сделан Ньютоном. Согласно ньютоновской космологии, Вселенная безгранична, бесконечна, однородна и неизменна. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассив-

32

ную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде классическая модель Вселенной просуществовала в науке вплоть до начала XX в.

Современные представления о возникновении и эволюции Вселенной основаны на космологии, являющейся физической наукой о Вселенной в целом. Космология базируется на астрофизических наблюдательных данных и на современных теориях, исследующих Метагалактику – ту часть Вселенной, которая доступна наблюдениям современными астрономическими средствами.

Фундаментом наблюдательных основ современной космологии служат астрофизические данные, полученные во всех частотах шкалы электромагнитного излучения: гамма, рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радионаблюдения. Кроме того, важные данные получают при изучении корпускулярных потоков элементарных частиц – космических лучей.

Теоретическим фундаментом космологии служат современные физические теории: релятивистская теория тяготения, квантовая теория, теория фундаментальных взаимодействий, физика элементарных частиц, ядерная физика, а также создающиеся единые теория поля и квантовая гравитация.

В основе современных моделей эволюции Вселенной лежит космологический принцип – предположение об однородности и изотропии Вселенной в больших масштабах.

Факт. Космологический принцип с достаточно хорошей точностью подтвержден наблюдениями: однородность – с точностью ~ 10-2, изотропия – с точностью 5·10-1.

33

Современные модели эволюции Вселенной базируются на релятивистской теории тяготения (общая теория относительности), созданной А. Эйнштейном в 1917 г. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, существовавших в науке вплоть до начала XX в., однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т. е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно (преимущественно в форме вещества).

Однако пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Но в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (сме-

34

щение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям, увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

Врезультате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная – это мир галактик, что наша Галактика – не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем, Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Итак, Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, неизменной:

еепространство либо расширяется, либо сжимается; во Вселенной могут чередоваться через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения. Это послужило ему основанием выдвинуть сразу три релятивистские нестационарные модели Вселенной.

Водной из них кривизна трехмерного пространства отрицательна, Вселенная бесконечна (открытая модель); в такой модели расстояния между галактиками со временем неограниченно возрастают, расширяющееся пространство неэвклидово.

Вдругой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но столь же безгранична, как и в открытой модели); в такой замкнутой модели расширение со временем сменяется сжатием. В ходе эволюции кривизна пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии. Но знак кривизны при этом не меняется.

Втретьей (пограничной) – кривизна пространства равна 0: расширяющееся эвклидово пространство.

На основании экспериментальных данных по изучению спектров нескольких десятков галактик была выведена формула

35

(получившая названия закона Хаббла), определяющая скорость – v разбегания двух галактик, расстояние между которыми – R:

v = H · R,

где Н – постоянная Хаббла.

Отметим, что Н =1/R·dR/dt – относительная скорость изменения расстояния. При t → 0, R → 0, H → ∞. По мере ухода от сингулярности значение параметра Н падает и в наше время уточненные измерения дают Н = 70 (км/с)/Мпк, что соответствует времени расширения – возрасту Вселенной – 12–15 млрд. лет.

Какая же из двух космологических моделей нестационарной Вселенной реализуется на практике? Из космологических уравнений следует, что при заданном Н, равная нулю кривизна трехмерного пространства может иметь место только при строго определенной (критической) плотности массы

ρкр = 3с2Н2/G,

где G – гравитационная постоянная; с – скорость света.

Если ρ> ρкр, то мир замкнут, при ρ≤ ρкр мир является открытым (рисунок 11.2). Ответ на вопрос, что же будет на самом деле остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и дать более надежные значения параметра Хаббла.

Для указанного выше значения Н ρкр = 5·10-30г/см3. Это несколько больше средней плотности, размазанной по всему наблюдаемому объему (в пределах одного-двух порядков величины). Но в астрофизике пока не решена проблема скрытой массы. Имеется много фактов и теоретических предположений о наличии во Вселенной трудно наблюдаемых форм материи со значительной массой, кроме фиксируемой в светящихся объектах. Назовем некоторые из них. На каждый протон во Вселенной приходится около 109 нейтрино, масса покоя которых экспериментально не установлена. Есть предположения, что она составляет величину порядка 5·10-35 кг. Несмотря на такую ма-

36