Okonskaya_Reznik_Filosofskie_problemy_nauki_i_tekhniki-1

ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

То есть в природе не может быть круговых процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу.

Второй закон термодинамики можно сформулировать и как закон,

согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной,

если процессы обратимы.

Энтропия – мера отклонения системы от статического термодинамического равновесия, мера неупорядоченности, мера хаоса.

При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Речь идет о принципе возрастания энтропии – важнейшем принципе термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия (статического равновесия),

которое традиционно отождествляли с хаосом (до открытия синергетической концепции И. Пригожина).

Антиподом энтропии является самоорганизация.

Самоорганизация – это способность к стабилизации некоторых параметров путем направленной упорядоченности структуры системы с возможностью противостояния энтропийным факторам среды.

В настоящее время теория и методология, исследующая процессы самоорганизации, называется синергетикой.

Вопросы для самопроверки

1) Отличие релятивистской картины мира от картины мира,

выстраиваемой на основе классической механики и физики.

2)Структурность и системность как атрибуты материи.

3)Что такое материя с точки зрения физики?

61

4)Классификация элементарных частиц.

5)Взаимодействие и связь в природе.

6)Фундаментальные физические взаимодействия, их характеристика.

7)Что такое пространство и время?

8)Пространство и время с точки зрения учения А. Эйнштейна.

9)Динамические законы и механический детерминизм.

10)Статистические законы и вероятностный детерминизм.

11)Два закона термодинамики.

12)Принципы современной физики и их взаимосвязь.

62

в масштабах 10-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами;

целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы;

слабые взаимодействия (значительно слабее сильного и электромагнитного, коротко действующее, проявляется на расстояниях,

значительно меньших размера атомного ядра и ответственно за бета-

распад ядра)

в космических масштабах – гравитационные силы.

4. Структурные уровни материи.

Структурные уровни материи

64

ТЕМА 4. Эволюция Вселенной

Вопрос 1. Рождение и эволюция Вселенной, ее структура.

Вселенная — строго не определяемое понятие астрономии и философии. В русском языке слово «Вселенная» является заимствованием из старославянского «въсєлена», что является калькой древнегреческого слова «ойкумена» , от глагола «населяю, обитаю» и в первом значении имело смысл лишь обитаемой части мира. Русское слово «Вселенная» поэтому родственно существительному «вселение» и лишь созвучно определительному местоимению «всё». Самое общее определение для

«Вселенной» среди древнегреческих философов, начиная с пифагорейцев,

было τὸ πᾶν (Всё), включавшее в себя как всю материю (τὸ ὅλον), так и весь космос. Сегодня понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная. существует объективно, независимо от сознания человека, её познающего. Строение и эволюция Вселенной в качестве единого целого изучается космологией, которая является разделом естествознания.

В историческом плане для обозначения «всего пространства» и его одельных частей использовались различные слова, такие как «небесная сфера», «космос», «мир», галактика, метагалактика, макрокосмос,

микрокосмос.

Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но поистине революционные изменения в наших представлениях о Вселенной происходят лишь в XX веке. Появилось множество конкурирующих моделей, объясняющих возникновение и эволюцию Вселенной

65

Модели возникновения Вселенной

1. Модель стационарной Вселенной А. Эйнштейна

В 1916 г. увидел свет труд Альберта Эйнштейна Основы общей теории относительности», а уже и 1917 г. на основе уравнений этой теории он развил свою модель Вселенной.

Большинство ученых того времени сходилось во мнении, что Вселенная стационарна, и Эйнштейн также придерживался этого мнения,

поэтому старался создать такую модель, в которой Вселенная не должна была расширяться или сжиматься. Это местами шло вразрез с его собственной теорией относительности, из уравнений которой следует, что Вселенная расширяется и одновременно происходи се торможение.

Поэтому Эйнштейн ввел такое понятие, как космическая сила отталкивания, которая уравновешивает притяжение звезд и прекращает движение небесных тел, благодаря чему Вселенная остается статической.

Вселенная Эйнштейна имела конечные размеры, но вместе с тем у нее не было границ, что возможно только в том случае, когда пространство искривлено, как, например, в сфере.

Итак, пространство в модели Эйнштейна было трехмерным, оно замыкало само себя и было однородным, т.е. у этого пространства не было центра и краев, и в нем равномерно располагались галактики.

Вселенная Эйнштейна заполнена галактиками, расстояние между которыми постоянно. Вселенная бесконечна во времени (вечна), но конечна в пространстве в том смысле, что содержит большое, но ограниченное число звезд и звездных систем.

2.Модели нестационарной Вселенной

В1922 г. советский ученый А. А. Фридман разработал первую

нестационарную модель Вселенной, которая также была основана на уравнениях общей теории относительности. Работы Фридмана остались в то время незамеченными, а А. Эйнштейн отвергал возможность

66

расширения Вселенной. Тем не менее, уже в 1929 г. астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики, находящиеся рядом с Млечным путем, удаляются от него, а скорость их движения при этом все время остается пропорциональной расстоянию до нашей галактики. Согласно этому открытию, звезды и галактики постоянно «разбегаются» друг от друга, а

следовательно, происходит расширение Вселенной. В итоге Эйнштейн согласился с выводами Фридмана, а позднее говорил, что именно советский ученый стал основателем теории расширяющейся Вселенной.

Эта теория не находится в противоречии с общей теорией относительности, но если Вселенная расширяется, то должно было произойти некое событие, приведшее к разбеганию звезд и галактик. Это явление очень напоминало взрыв, поэтому ученые и назвали его «Большим взрывом». Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около

15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием. Однако, как считал Фридман,

если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, то должна существовать Высшая первопричина (или Конструктор), позволяющая этому взрыву произойти. Этот вывод является убедительным лишь при эмпирическом подходе к действительности. Фундаментальные философские картины мира обходятся без допущения чьей-либо воли

(Бога-творца либо абсолютной идеи).

Модель расширяющейся Вселенной вскоре получила экспериментальное подтверждение. Американский астроном и астрофизик Э. Хаббл обнаружил, что расстояние между галактиками увеличивается,

т.е. они «разбегаются». Скорость «разбегания» Хаббл измерял по

«красному смещению» в спектрах излучения галактик.

Расчеты Хаббла подтвердили гипотезу о расширении видимой части Вселенной.

67

Теория Большого взрыва строится на том, что все сущее во Вселенной ранее находилось в сингулярном состоянии, т.е. в состоянии,

характеризующемся бесконечной температурой, плотностью и давлением.

В состоянии сингулярности не действует ни один современный закон физики, пространство сингулярности сосредотачивалось в микроскопически малой частичке, которая в какой-то момент времени пришла в нестабильное состояние, в результате чего и произошел Большой взрыв. Изначально теория Большого взрыва носила название

«динамическая эволюционирующая модель». Термин «Большой взрыв» получил широкое распространение в 1949 г. после публикации работ ученого Ф. Хойла. На данный момент теория Большого взрыва разработана настолько хорошо, что ученые берутся описать процессы,

которые начали происходить во Вселенной через 10 —43 сек. после Большого взрыва. Существует несколько доказательств теории Большого взрыва, одним из которых является реликтовое излучение, пронизывающее всю Вселенную и возникшее в результате Большого взрыва благодаря взаимодействию частиц. Реликтовое излучение может рассказать о первых микросекундах после рождения Вселенной, о тех временах, когда она находилась в горячем состоянии, а галактики, звезды и планеты еще не образовались. Изначально реликтовое излучение также было только теорией, и вероятность его существования рассматривал Г. А. Гамов в 1948

году. Измерить реликтовое излучение и доказать действительность его существования смогли только в 1964 г. американские ученые благодаря новому прибору, который обладал необходимой точностью. На основе реликтового излучения исследовались разные сегменты космоса с помощью наземных и космических обсерваторий, что позволило увидеть,

какой была Вселенная в момент своего рождения.

Еще одним подтверждением Большого взрыва является космологическое красное смещение, которое заключается в уменьшении частот излучения, что доказывает удаление звезд и галактик друг от друга

68

вообще (разбегание галактик), и от Млечного пути в частности. Теория Большого взрыва ответила на множество вопросов о возникновении нашей Вселенной, но и вместе с тем стала причиной появления новых загадок,

которые остаются без ответов и сейчас. Например, что же стало причиной Большого взрыва, почему точка сингулярности стала нестабильной, что было до Большого взрыва, как появилось время и пространство?

Из чего образовалась Вселенная? Религия отвечает на этот вопрос – из «ничего». В научной терминологии «ничто» – это вакуум.

ВХIХ в. под вакуумом в физике понимали пустоту, сегодня вакуум

–это форма материи, способная при определенных условиях порождать вещественные частицы. «Пустой» вакуум оказывается заполненным определенными частицами. Можно ли их назвать виртуальными? В любом случае вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии.

Еще одним загадочным объектом космоса является т.н. черное тело и его излучение. В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела,

свойственное объектам с температурой около –270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат.

Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию,

но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. Закон Стефана—

69

Больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру

«космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Все эти нерешенные проблемы свидетельствуют о том, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только в 80-х годах XX века благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название

«инфляция», предшествовал Большому взрыву.

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого

(известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия,

возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли

70