- •Федеральное агентство по образованию
- •Предисловие
- •1. Естественно-научная и гуманитарная формы культуры. Научный метод
- •1.1. Естественно-научная и гуманитарная формы культуры
- •1.2. Научный метод
- •Контрольные вопросы
- •2. Физические концепции описания природы
- •2.1. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы
- •2.1.1. Концепции строения материи и развития материального мира
- •2.1.2. Развитие представлений о природе света. Корпускулярно-волновой дуализм
- •2.2. Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос
- •2.3. Структурные уровни организации материи
- •2.3.1. Микромир
- •2.3.2. Макромир
- •2.3.3. Мегамир
- •2.4. Пространство и время
- •2.4.1. Единство и многообразие свойств пространства и времени
- •2.4.2. Принцип причинности
- •2.4.3. Необратимость – неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- •2.4.4. Современные взгляды на пространство и время
- •2.5. Принципы относительности
- •2.5.1. Принцип относительности в классической механике
- •2.5.2. Специальная теория относительности
- •2.5.3. Общая теория относительности
- •2.6. Принципы симметрии и законы сохранения
- •2.6.1. Симметрия: понятие, формы и свойства
- •2.6.2. Принципы симметрии и законы сохранения
- •2.6.3. Диалектика симметрии и асимметрии
- •2.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие
- •2.7.1. Концепции близкодействия и дальнодействия
- •2.7.2. Фундаментальные типы взаимодействий
- •2.8. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности
- •2.8.1. Принцип неопределенности
- •2.8.2. Принцип дополнительности
- •2.8.3. Принцип суперпозиции
- •2.9. Динамические и статистические закономерности в природе
- •2.10. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах
- •2.10.1. Формы энергии
- •2.10.2. Закон сохранения энергии для механических процессов
- •2.10.3. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии
- •2.10.4. Закон сохранения энергии в термодинамике
- •2.11. Принцип возрастания энтропии
- •2.11.1. Понятие энтропии
- •2.12. Основные космологические теории эволюции Вселенной
- •3. Химические концепции описания природы
- •3.1. Развитие учения о составе вещества
- •3.2. Развитие учения о структуре молекул
- •3.3. Развитие учения о химических процессах
- •3.3.1. Энергетика химических процессов и систем
- •3.3.2. Реакционная способность веществ
- •3.3.3. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
- •3.4. Развитие представлений об эволюционной химии
- •4. Геологические концепции описания природы
- •4.1. Внутреннее строение и история образования Земли
- •4.1.1. Внутреннее строение Земли
- •4.1.2. История геологического строения Земли
- •4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек
- •4.2.1. Концепция глобальной геологической эволюции Земли
- •4.2.2. История формирования геосферных оболочек
- •4.3. Литосфера как абиотическая основа жизни
- •4.3.1. Понятие литосферы
- •4.3.2. Экологический функции литосферы
- •4.3.3. Литосфера как абиотическая среда
- •5. Биологические концепции описания природы
- •5.1. Особенности биологического уровня организации материи
- •5.1.1. Уровни организации живой материи
- •5.1.2. Свойства живых систем
- •5.1.3. Химический состав, строение и воспроизведение клеток
- •5.1.4. Биосфера и ее структура
- •5.1.5. Функции живого вещества биосферы
- •5.1.6. Круговорот веществ в биосфере
- •5.2. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем
- •5.2.1. Основные эволюционные учения
- •5.2.3. Микро- и макроэволюция. Факторы эволюции
- •5.2.4. Направления эволюционного процесса
- •5.2.5. Основные правила эволюции
- •5.3. Происхождение жизни на Земле
- •5.3.1. Условия возникновения жизни при биохимической эволюции
- •5.3.2. Механизм возникновения жизни
- •5.3.3. Начальные этапы развития жизни на Земле
- •5.3.4. Основные этапы развития биосферы
- •5.4. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы
- •5.4.1. Система органического мира Земли
- •Неклеточные формы
- •Клеточные формы Надцарство Прокариоты
- •Надцарство Эукариоты
- •5.4.2. Экологические факторы. Структура и функционирование экологических систем
- •5.4.3. Глобальные экологические проблемы. Концепции устойчивого развития
- •5.5. Генетика и эволюция
- •5.5.1. Генетические признаки и носители наследственной информации
- •5.5.2. Основные генетические процессы. Биосинтез белка
- •5.5.3. Основные законы генетики
- •5.5.4. Наследственная и ненаследственная изменчивость
- •5.5.7. Генная инженерия и клонирование как факторы дальнейшей эволюции
- •Контрольные вопросы
- •6. Человек: происхождение, физиология, здоровье
- •6.1.2. Физиологические особенности человека
- •6.1.3. Здоровье человека
- •Группировка факторов риска и их значение для здоровья
- •6.1.4. Эмоции. Творчество
- •6.1.5. Работоспособность
- •7. Человек, биосфера и космические циклы
- •7.1. Биоэтика
- •7.1.1. Противоречия современной цивилизации
- •7.1.2. Понятие биоэтики и ее принципы
- •7.1.3. Медицинская биоэтика
- •7.2. Биосфера и космические циклы
- •7.3. Биосфера и ноосфера
- •7.4. Современное естествознание и экология
- •7.5. Экологическая философия
- •7.6. Планетарное мышление
- •7.6. Ноосфера
- •Контрольные вопросы
- •8. Проблемы самоорганизации материи и универсальный эволюционизм
- •8.1. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •8.1.1. Пространственные диссипативные структуры
- •8.1.2. Временные диссипативные структуры
- •8.1.3. Химическая основа морфогенеза
- •8.1.4. Самоорганизация в живой природе
- •8.2.5. Самоорганизация в неравновесных системах
- •8.1.6. Типы процессов самоорганизации
- •8.2. Принципы универсального эволюционизма
- •8.3. Самоорганизация в микромире. Формирование элементного состава вещества материи
- •8.4. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •8.5. Концепции эволюционного естествознания
- •8.5.1 Структурность и целостность в природе. Фундаментальность понятия целостности
- •8.5.2. Принципы целостности современного естествознания
- •8.5.3. Самоорганизация в природе в терминах параметров порядка
- •Контрольные вопросы
- •9. Путь к единой культуре. Синергетическая парадигма фундаментальности
- •9. 1. Методология постижения открытого нелинейного мира
- •9.2. Чему «учат» концепции современного естествознания?
- •9.3. Основные черты современного естествознания
- •9.4. Принципы синергетики, эволюционная триада и синергетическая среда в постижении природы
- •9.5. Принципы нелинейного образа мира
- •9.6. От автоколебаний к самоорганизации
- •9.7. Формирование инновационной культуры
- •Глоссарий
- •Список литературы
- •Приложение
- •(Для студентов дневного, заочного и дистанционного обучения)
- •Оглавление
- •Концепции современного естествознания Учебник
- •445677, Г. Тольятти, ул. Гагарина, 4.
2.12. Основные космологические теории эволюции Вселенной
Учение о мегамире как едином целом и всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) называется космологией.
Выводы космологии основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы положены в их основу. Построенные в соответствии с космологическими теориями модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, выводы теории – подтверждаться наблюдениями (во всяком случае, не противоречить им), теория – предсказывать новые явления.
В конце XX в. этому требованию наилучшим образом удовлетворяли разработанные на основе общей теории относительности однородные изотропные модели нестационарной «горячей» Вселенной.
Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения А. Эйнштейном (1916) и зарождением внегалактической астрономии (начиная с 20-х гг. XX в.).
На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной кривизна четырехмерного пространства-времени и возможная замкнутость Вселенной.
Начало второго этапа можно датировать работами А.А. Фридмана, который в 1922–24 гг. доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной – она должна расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения (эффекта «разбегания» галактик) астрономом Э. Хабблом (1929).
В результате на первый план выступили проблемы механик Вселенной и ее «возраста» (длительности расширения).
Третий этап в развитии космологии связан с моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, вторая половина 40-х гг.), в которых основное внимание переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным.
В основе теории лежат уравнения А. Эйнштейна общей теории относительности, из них следуют наличие кривизны пространства-времени и связь кривизны с плотностью вещества. Космологические уравнения допускают существование двух моделей. В одной из кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю. Вселенная бесконечна (открытая модель). В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В другой 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 Вселенной кривизна трехмерного пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется, т.е. открытая модель остается открытой, замкнутая – замкнутой. Начальные стадий эволюции по обеим моделям совершенно одинаковы: должно было существовать особое начальное состояние – сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение.
Из космологических уравнений следует, что равная нулю кривизна пространства может иметь место только при строго определенной критической плотности ρкр.
Если , то мир замкнут, примир является открытым. Два указанных исходных положения достаточны для суждений об общем характере эволюции Вселенной, но они оставляют открытым вопрос о ее начальном состоянии.
С 60–70-х гг. XX в. стала общепринятой модель «горячей» Вселенной (предполагается высокая первоначальная температура). В условиях очень высокой температуры (Т > 1013 К) существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Можно рассчитать состав такой смеси при разных температурах Т, соответствующих последовательным этапам эволюции, найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение ее физических параметров в процессе расширения.
Согласно этому закону во Вселенной в момент с должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, а также большая примесь нуклонов (протонов и нейтронов). В результате последующих превращений к моментумин из нуклонов образовалась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия по массе; все остальные химические элементы синтезировались из этого дозвездного вещества, причем намного позднее, в результате ядерных реакций в недрах звезд). В момент образования нейтральных атомов гелия и водорода (рекомбинация нуклонов и электронов в атомы произошла прилет) вещество становилось прозрачным для оставшихся фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в видереликтового излучения, свойства которого можно предсказать на основе теории «горячей» Вселенной.
Наибольшее принципиальное значение этой теории имеют выводы о нестационарности (расширении) Вселенной, о высоких значениях плотности и температуры в начале расширения («горячая» Вселенная) и об искривленности пространства-времени.
Вывод о нестационарности надежно подтвержден космологическим красным смешением, обнаруженным Э. Хабблом в 1929 г.: наблюдаемая область Вселенной расширяется, и это расширение длится, по меньшей мере, 15—20 млрд. лет. Столь же основательное подтверждение нашла и концепция «горячей» Вселенной: в (1965) американскими физиками А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном было открыто реликтовое излучение, которое оказалось изотропным, а спектр его – равновесным с Т = 3 К.
Что касается плотности вещества, то астрономические наблюдения приводят к значениям усредненной плотности вещества, входящего в видимые галактики, г/см3. Определить плотность скрытого (невидимого) вещества, а тем более плотность, создаваемую нейтрино (если масса нейтрино не равна нулю), гораздо труднее, и неопределенность суммарной плотности из-за этого весьма велика. На основе имеющихся наблюдательных данных (10–31 < ρ < 10–29 г/см3) нельзя сделать окончательного выбора между открытой (расширяющейся безгранично) и замкнутой (расширение в далеком будущем сменится сжатием) моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения).
Модель расширяющейся Вселенной
Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание.
Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так к естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.
Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Космология, в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет с бой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.
Все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:
- свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках и направлениях;
- наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнение Эйнштейна. Из этого следует кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах выполняются все законы сохранения вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;
экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. 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 подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики –, видимой части Вселенной.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 –18 млрд. лет назад
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество
Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы «состояния, в котором находятся элементарные частицы» нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны.
По наиболее обоснованным оценкам, возраст расширяющейся Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет.
Контрольные вопросы
1.Что такое корпускулярно-волновой дуализм материи?
2. Почему энтропия является мерой порядка и беспорядка в природе?
3. Какова классификация материи на микро-, макро-, мегамиры?
4. Сформулируйте основные законы сохранения.
5. Каково объяснение периодической системы Д.И. Менделеева?
6. Каковы фундаментальные взаимодействия в природе?
7. Какова связь симметрии и законов сохранения?
8. какова связь пространства и времени в специальной теории относительности?
9. В чем различие между динамическими и статистическими закономерностями в природе?
10. Каков смысл принципа дополнительности?