Физические модели в естествознании. Учебное пособие

объединяет. Но ранее эти теории существовали отдельно, независимо друг от друга. Теория Большого взрыва рассматривалась даже в совокупности с холодной Вселенной.

Гипотезу холодной Вселенной начал развивать в 1962 г. Зельдович. На его взгляд, из теории горячей Вселенной следовали слишком большие плотность и температура излучения, не подтверждаемые данными радиоастрономии. Перебрав все возможные варианты, Зельдович остановился на гипотезе, согласно которой исходным веществом был холодный протон-

электронный газ с примесью нейтрино, причем на каждый протон приходилось по одному электрону и одному нейтрино. Эту гипотезу Зельдович разрабатывал вплоть до обнаружения реликтового излучения.

Модель Большого взрыва это ответ на вопрос зарождения Вселенной, но что взорвалось? Многие ученые утверждают, что Вселенная родилась из

«ничего», что есть вакуум. Квантовая теория допускает переход вакуума в возбужденное состояние, в котором происходит рождение полей и впоследствии вещества.

Вселенная родилась из вакуума вследствие случайной флуктуации.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но при этом они способны участвовать во взаимодействиях, так же как реальные частицы. Флуктуации порождают особые свойства вакуума, которые проявляются в наблюдаемых эффектах.

Вакуум находился, как утверждают многие ученые, в состоянии сингулярности, сверхплотном и сверхгорячем состоянии элементарных частиц.

Эволюцию Вселенной для наглядности делят на «эры».

1. Эра адронов (0–0,0001 с) при сверхвысоких температурах (> 1012 К) и

давлениях, где особую роль играли микрочастицы с большими массами, для которых существенно гравитационное взаимодействие. Элементарные частиц делятся на два класса адроны и лептоны. Количество вещества и антивещества примерно одинаковое. В конце эры происходит аннигиляция частиц и

91

античастиц. В результате излучения из равновесия (симметрии) выделяются гипероны, нуклоны, мезоны и их античастицы.

2. Эра лептонов (0,0001 – 10 с). Особую роль играют легкие частицы,

принимающие участие во всех взаимодействиях протонов и нейтронов. Из равновесия в результате излучения выходят мю-мезоны, электронные и мезонные нейтрино. Спустя 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино. Они перестают взаимодействовать с веществом и уходят в мировое пространство – реликтовое излучение, наблюдаемое на современном этапе. В конце эры происходит аннигиляция электронов и позитронов.

3. Эра фотонов (10 с – 1 млн. лет) характеризуется тем, что основная масса энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще не взаимодействуют с веществом.

В первый период эры происходят интенсивные взаимодействия между протонами и нейтронами. Понижение температуры приводит к нарушению симметрии между протонами и нейтронами в пользу протонов, т.к. реакции с протонами энергетически более выгодны. К концу эры нейтронов всего 15 %.

4. Эра излучения (0 – 1 млн. лет) Излучение сопровождало все эры,

происходило лишь изменение формы проявления. Спустя 5 мин после Большого взрыва температура Вселенной стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот период протоны и нейтроны могли объединиться, образуя ядра гелия, состоящие из одного протона и двух нейтронов. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 25 % из гелия и 75 %

из ядер водорода, что соответствует эмпирическим наблюдениям.

Первичное вещество Вселенной содержало избыток свободных протонов,

из которых затем образовались атомы водорода.

При температуре 4000К начинается процесс рекомбинаций, когда свободные протоны присоединяют электроны и превращаются в нейтральные атомы водорода. Ранее образовался нейтральный гелий. Из гелия и водорода начался процесс образования звезд.

92

Чтобы стандартная теория Большого взрыва могла предсказать то распределение материи, которое мы наблюдаем, ее исходное состояние должно характеризоваться очень высокой степенью организованности. Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою версию теории большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям большого взрыва.

Так как наши знания об окружающем мире по существу опираются на ограниченное количество опытных фактов, которые доступны человечеству на современном этапе его развития и на изучении свойств построенных моделей,

то они всегда будут ограничены. При возникновении противоречий между результатами анализа и опытными фактами, модели совершенствуются за счет учета в рамках модели новых фактов о тех или иных свойствах реального объекта. В ряде случаев такие противоречия могут приводить к полной смене модели (например, замену модели теплорода на молекулярную модель в теории распространения тепла). Одним из примеров развития и совершенствования модели является переход от механики Ньютона к специальной теории относительности и затем к общей теории относительности. Удачно

«сконструированные» модели не только описывают широкий круг наблюдаемых фактов, но обладают также предсказательной силой.

Список использованных источников

93

13.Рябов, О.А. Моделирование процессов и систем : учебное пособие /

О.А. Рябов. – Красноярск : [б.и.], 2008. – 122 с.

14.Неймарк, Ю.И. Математические модели естествознания и техники : цикл лекций. Выпуск 1. / Ю.И. Неймарк. – Н. Новгород : Изд-во ННГУ, 1994.

15.Клюев, С.А. Моделирование в естествознании : монография. / С.А. Клюев. – Славянск-на-Кубани : [б.и.], 2009.

16.Введение в математическое моделирование: учеб. пособие / под. ред. П.В. Трусова. – М. : Логос, 2004.

17.Бакаев, В.Н. Основы моделирования систем. / В.Н. Бакаев, Е.Ю. Васильева, Н.В. Владимирова. – Самара : [б.и.], 2006. – 30 с.

18.Косинов, Н.В. Константные базисы новых физических теорий./ Н.В. Косинов // Физический вакуум и природа. – №5.– 2002. – С. 69 – 104.

19.Физическая энциклопедия, в т т.5. Стробоскопические приборы – Яркость. / гл. ред. А. М. Прохоров. Ред.кол.: А. М. Балдин, [и др.] – М. :

Большая Российская Энциклопедия, 1994, 1998. – 760 с.: ил. ISBN 5-85270-101-

7, стр. 644

20.Шипов, Г.И. Теория физического вакуума. Новая парадигма. / Г.И. Шипов. – М. : НТ – Центр, 1993.

21.Концепции современного естествознания : учебник для вузов / под ред. В.Н. Лавриенко, В.П. Ратникова. – 3-е изд. перераб. и доп. – М. : ЮНИТИ– ДАНА, 2006. – 317 с. – ISBN 5-238-00530-Х

22.Косинов, Н.В. Энергетический феномен вакуума. [Электронный ресурс]. / Н.В Косинов, В.И. Гарбарук. Академия тринитаризма. Режим доступа :

http://314159.ru/kosinov/kosinov6.htm

23.Косинов, Н.В. Фракталы в плазме. / Н.В. Косинов, В.И Гарбарук //

Физический вакуум и природа. – N5. – 2002.

24.Косинов, Н.В. Происхождение протона. / Н.В. Косинов // Физический вакуум и природа. – №3. – 2000. – с. 98 – 110.

25.Истомин, Е.И. Концепции современного естествознания :

Структурные уровни и основные концепции мегамира: учебно-методический

95

комплекс (учебное пособие). / Е.И. Истомин. – СПб. : Изд-во СЗТУ, 2007. –

139 с.

26.Гареев, А.Р. Истинность моделирования и моделей в познании :

диссертация ... кандидата философских наук : 09.00.01. / А.Р. Гареев. – Уфа,

2002. – 133 с.

27.Дуреева, Н.С. Роль моделей в теории познания : учебное пособие /

Н.С. Дуреева, Р.Н. Галиахметов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 192 с.

–ISBN 978-5-7638-2291-5

28.Ризниченко, Г.Ю. Математические модели в биофизике и экологии /

Г.Ю. Ризниченко. – М. : Ижевск : Ин-т компьютерных исследований, 2003. – 184 с. –

ISBN 5-93972-245-8

29.Ратбиль Е.Э. Модели [Электронный ресурс] / Е.Э. Ратбиль – М. :

Дрофа, 2010. Режим доступа : http://biblioclub.ru/shop/?page=book&id=52513

30.Кутателадзе, С. С. Анализ подобия и физические модели. / С.С.

Кутателадзе. – М. : Изд-во «Наука». – Сибирское отд., 1986.

31. Кулешов, А. А. Математические модели в естествознании и экологии : учебное пособие по курсу «Математические модели в естествознании и экологии». / А.А. Кулешов. – Обнинск : ИАТЭ НИЯУ МИФИ,

2011. – 88 с.

32. Концепции современного естествознания : учебник для вузов по напр. 050100 «Естественнонаучное образование» / под. ред. Л.А. Михайлова. – СПб. : Питер,

2012. – 336 с. : ил. – (Учебник для вузов) – ISBN 978-5-496-00007-9

33.Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания : учеб.

для вузов / М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. – 7-е изд., перераб. и доп. – М. : Дашков и К,2012.– 540 с. : табл. – Библиогр. : С. 535 – 539. – ISBN 978-5-394-01774-2

96