Стандартная модель эволюции Вселенной

 

 

Содержание

 

Введение

1. Космологические модели Вселенной

1.1 Эдвин П. Хаббл - «разбегание» Галактик

1.2 А.А. Фридман - расширение Вселенной

1.3 Георгий А. Гамов - космологический постулат

2. Стандартная модель эволюции Вселенной

2.1 Микроэволюция и макроэволюция Вселенной

2.2 Биологическая и экологическая эволюция

Заключение

Список используемой литературы

 

 

Введение

 

Представление об открытых системах явилось основой для утверждения в современном естествознании эволюционного взгляда на мир. Однако никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до нашего века не существовало. Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время - кварки.

Бесспорно, атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он обращает главное внимание на строение и структуру различных систем, а не на их возникновение и развитие. Правда, в последние годы получают распространение также системный и эволюционный взгляды, которые обращают внимание скорее на характер взаимодействия элементов разных систем, чем на анализ свойств тех частиц, которые рассматривались в качестве своего рода последних кирпичиков мироздания.

Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.

 

1. Космологические модели Вселенной

 

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности и поэтому ее в отличие от прежней, классической, называют релятивистской.

 

1. Эдвин П. Хаббл - «разбегание» Галактик

 

Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889-1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Допплера свидетельствовало об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.

Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства - времени.

 

1.2 А.А. Фридман - расширение Вселенной

 

Следующий этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана (1888-1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление «разбегания» галактик. В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

 

1.3 Георгий А. Гамов - космологический постулат

 

Наконец, начало третьего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904-1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной.

Все эти особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хота существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т. е. ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Последние утверждения часто называют космологическим постулатом. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства - времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества.

В зависимости от кривизны пространства различают:

* открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю,

* замкнутую модель с положительной кривизной. Расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле.

Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

Такая модель «горячей» Вселенной впервые была выдвинута Г. А. Гамовым и впоследствии названа стандартной.

Известный американский астроном Карл Саган (р. 1934) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда - 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

 

Большой взрыв	1 января 0 ч 0 мин
Образование галактик	10 января
Образование Солнечной системы	9 сентября
Образование Земли	14 сентября
Возникновение жизни на Земле	25 сентября
Океанский планктон	18 декабря
Первые рыбы	19 декабря
Первые динозавры	24 декабря
Первые млекопитающие	26 декабря
Первые птицы	27 декабря
Первые приматы	29 декабря
Первые гоминиды	30 декабря
Первые люди	31 декабря примерно в 22 часа 30 минут

 

Всеобщая хронология:

◊ 20 млрд. лет назад - Большой взрыв

◊ 3 млн. спустя - образование вещественной основы вселенной (фотоны, нейтрино, антинейтрино, с примесью ядер водорода, гелия и электронов)

◊ Через несколько сотен тыс. лет - появление атомов легких элементов

◊ 19-17 млрд. лет назад - образование Галактик

◊ 15 млрд. лет назад - появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов

◊ 5 млрд. лет назад - рождение Солнца

◊ 4,6 млрд. лет назад - образование земли

◊ 3,8 млрд. лет назад - Зарождение жизни

◊ 450 млн. лет назад - появление растений

◊ 150 млн. лет назад - появление млекопитающих

◊ 5-2 млн. лет назад - начало антропогенеза: появление человека вида прямоходящий.

 

 

2. Стандартная модель эволюции Вселенной

 

2.1 Микроэволюция и макроэволюция Вселенной

 

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия Плотность материи равнялась приблизительно 1093 г/см3. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти "большой взрыв", с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой поэтому также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции.

Полагают, например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно - фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия.

Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью "горячей" Вселенной. Оно сохранилось до наших дней и наблюдается именно как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрии и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрии, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель, которая строится для объяснения современного ее состояния, в частности, расширения Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, а именно такими разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд е-, и позитрон с противоположным положительным зарядом е+. Их взаимодействие при столкновении приводит к образованию двух фотонов.

Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения. По-видимому, здесь мы встречаемся с исторической реконструкцией. Так как частицы вещества и антивещества при взаимодействии аннигилируют, т.е. е-+е+®2у, то предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от мира антивещественного. Иначе он не мог бы существовать в силу процессов аннигиляции вещества и антивещества.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.