История космологической мысли. Теория «большого взрыва»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

направление 080700 -Бизнес –  информатика.

 

РЕФЕРАТ

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

НА ТЕМУ  ИСТОРИЯ КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ МЫСЛИ. ТЕОРИЯ «БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»

 

 

 

Студентки _1_ курса

группы № _1521_

Фамилия __Биушкиной__

Имя __Ксении___

Отчество __Олеговны__

 

 

 

Преподаватель ___Томилин М.Г.__

Оценка ______________

Подпись преподавателя _________

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

 

Введение

Издавна человеческая мысль  пытается разрешить проблему происхождения  нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится  к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать  умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной  проблемы. Согласно одним из них, мир  был сотворен и когда-то начал  свое существование; согласно другим - мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

В настоящей работе я кратко рассмотрю историю космологической  мысли, изложу современную космологическую  гипотезу "Большого Взрыва".

 

Краткая история космологической  мысли

Если космологией считать  учение о вселенной, основанное на наблюдательных данных и теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной, то первой космологической теорией следует  считать геоцентрическую систему  Птолемея. Греческий астроном, математик  и географ Клавдий Птолемей разработал свою систему во 2-ом веке. Геоцентрическая  система явилась итогом развития античной космологии и античных представлений  о физике космоса, в первую очередь - физики Аристотеля. Согласно Птолемею, в центре мироздания расположена  наша Земля; вокруг Земли по сложным  орбитам (круговым эпициклам и дифферентам) вращаются Солнце и все известные  планеты. Мироздание ограничено вращающейся  сферой неподвижно закрепленных на ней  звезд. Вся вселенная рассматривалась  как некий механизм, который получил  первый толчок от Божества, и далее  продолжает свое движение. Геоцентрическая  система Птолемея позволяла достаточно точно для своего времени вычислить  расположение на небосводе светил, была поддержана церковью и просуществовала  в течение всего Средневековья.

В 1543 г. польский астроном и  каноник католического костела  Николай Коперник опубликовал свою гелиоцентрическую систему мира, согласно которой в центре вселенной  располагалось Солнце, а земля  и другие планеты вращались вокруг него по круговым орбитам. Вселенная  была ограничена сферой неподвижных  звезд. Гелиоцентрическая система  Коперника выглядела проще и  естественней, чем искусственная  система Птолемея, но не превосходила последнюю по точности предсказаний движения светил. К тому же, с точки  зрения принципа относительности не имеет значения: Солнце ли движется вокруг Земли или Земля вокруг Солнца. Уже после смерти Коперника (1543 г.) его книга "О вращениях небесных сфер" была запрещена католической церковью в 1616 г. Запрет продержался до 1828 г.

В истории космологии принято  упоминать имя итальянского философа Джордано Бруно (1548-1600 гг.), который пропагандировал  идею о бесконечности вселенной  и о бесчисленном множестве планетных  систем и обитаемых миров, подобных нашему земному миру. (Позже, в XVIII-XIX веках, представление о бесконечности  и вечности вселенной займет доминирующее положение в европейской мысли, пока не сменится в XX веке моделью конечной нестационарной расширяющейся вселенной.) В 1600 г. Джордано Бруно был сожжен инквизицией на костре за ересь. Нисколько не оправдывая действия инквизиции против Бруно или Галилея, отмечу, что отнюдь не космологические идеи привели Бруно на костер, а обвинения в оккультизме и магии.

Следующим, после Коперника, крупным вкладом в космологию явились открытия итальянского ученого  Галилео Галилея (1564-1642 гг.) и немецкого  астронома и математика Иоганна  Кеплера (1571-1630 гг.). Галилей с помощью  изобретенного им телескопа открыл горы на Луне, спутники Юпитера, смену  фаз на Венере, пятна на Солнце и  множество невидимых глазу звезд. Стало ясно, что небесные планетные  тела подобны нашей планете Земля, а звезды подобны нашему Солнцу. Кеплер, движимый идеей о мировой  гармонии, установленной Творцом, открыл точные законы движения планет солнечной  системы. Благодаря Кеплеру гелиоцентрическая  система смогла достаточно точно  описывать движение небесных светил и заняла прочное место в астрономии.

Неоценимый вклад в  космологию принесло открытие законов  механики и закона всемирного тяготения  английским ученым и богословом Исааком  Ньютоном (1642-1727). Ньютоновская механика послужила физико-математической базой  для анализа движения звездных и  планетных систем.

Следующим шагом в космологии явилась космогоническая гипотеза немецкого философа Иммануила Канта (1724- 1804) о происхождении Солнечной  системы из первоначальной холодной туманности. Согласно Канту, под действием  гравитационных сил притяжения и  сил отталкивания вещества хаотическая  материя туманности постепенно сгущалась  в более организованные формы, образовав  в центре массивное Солнце, а вокруг него планеты. Кант высказал также предположение  о существовании иных галактик за пределами нашей галактики, и  предположение о замедлении суточного  вращения Земли приливными силами. Позже, независимо от Канта, космогоническая  гипотеза о происхождении Солнечной  системы из сжимающегося раскаленного газа была развита французским ученым Пьером Лапласом (1749-1827). Согласно этой гипотезе, на ранней стадии эволюции Солнечная  система представляла собой вращающуюся  туманность, под действием силы тяжести  которой происходило сжатие протосолнца. По мере сжатия увеличивалась центробежная сила на краю сплюснутого протосолнца, и от него отделялось гигантское кольцо, которое постепенно охлаждалось  и разрывалось на отдельные части, образуя планеты. По мнению Лапласа, такой отрыв кольца происходил несколько  раз. Спутники планет образовались аналогичным  способом. Гипотеза Лапласа была популярна  довольно длительное время, почти сто  лет.

Значительный вклад в  космологию внес английский астроном Уильям Гершель (1738-1822), труды которого стали основой для современных  представлений о нашей звездной системе Галактике Млечный Путь и о существовании других подобных ей систем.

Механика Ньютона и  успехи астрономии XVIII-XIX веков, открывшей  все более отдаленные звездные системы, послужили естественно-научным фундаментом космологического мировоззрения, согласно которому вселенная является бесконечной в пространстве и вечной во времени; количество звезд и звездных систем бесконечно велико. Это мировоззрение можно считать классическим. Оно доминировало вплоть до первой четверти XX века.

Однако, классическое мировоззрение  не давало ответов на многие вопросы  пытливого человеческого разума. Внимательный анализ классической космологической  теории приводил к неожиданным парадоксам. Таковых оказалось три: фотометрический, гравитационный и термодинамический. Фотометрический и гравитационный парадоксы возникают в предположении  о бесконечности вселенной, тогда  как термодинамический парадокс возникает в предположении о  вечности вселенной. Перечисленных три космологических парадокса заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности нашей вселенной.

Чтобы обойти эти трудности, в 1917 г. Альберт Эйнштейн, создатель  теории относительности, предложил  модель конечной, но безграничной стационарной вселенной. Такое состояние космоса  возникает, согласно общей теории относительности, когда плотность вещества в мире выше некоей критической плотности. Тогда геометрия пространства является римановой и все пространство-время  представляет собой замкнутую четырехмерную  сферу. Однако такой результат стал возможен лишь благодаря искусственному введению некоего космологического члена в уравнения поля тяготения. Этот гипотетический космологический  член позволял достигнуть состояния  стационарности вселенной, противодействуя  сжимающим ее силам тяготения. Другим недостатком модели Эйнштейна является то, что она не устраняла термодинамический  парадокс.

Космологическое мировоззрение, поскольку оно связано с глобальными  вопросами о строении вселенной, неразрывно связано с доминирующей философской концепцией своего времени. В XVIII-XIX веках в европейской мысли  ширилась материалистически-атеистическая концепция. Этим философским взглядам как нельзя лучше соответствовало классическое представление о бесконечной и вечной вселенной, живущей по своим законам, для которой нет необходимости ни в Боге Творце, ни в Боге Промыслителе. Что касается стран бывшего Советского Союза, то диалектический материализм, безраздельно господствовавший на их территории на протяжении большей части XX века, также воспринял классическое космологическое мировоззрение и постулировал несотворимость и неуничтожаемость материи, вечность ее во времени и бесконечность в пространстве, а также способность к неограниченному саморазвитию. Нетрудно заметить, что такое понятие о материи вступает в прямую полемику с христианским учением о сотворении мира Богом. Чтобы как-то избавиться от космологических парадоксов, неизбежно возникающих при таких представлениях, философы отрицали правомерность переноса законов физики с ограниченной области, где они были открыты, на всю безграничную вселенную. И хотя возникшие в XX веке новые космологические представления о расширяющейся нестационарной вселенной, ограниченной в пространстве и имеющей начало во времени, были восприняты советскими учеными и философами, тем не менее (даже признавая, что в такой вселенной устраняются все три космологических парадокса), до самого распада СССР в философских словарях был закреплен постулат о бесконечности и вечности материи.

История возникновения этого  нового космологического представления  такова. В 1922 г. советский математик, физик и метеоролог Александр  Фридман на основании уравнений  общей теории относительности показал, что вселенная не может быть стационарной, но либо расширяется, либо сжимается  во времени. Эйнштейн вначале не поверил  этому результату, но вскоре вынужден был согласиться. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл получил, как  считается, экспериментальное доказательство расширения вселенной. Хаббл обнаружил  красное смещение спектральных линий  далеких галактик и проинтерпретировал его как следствие эффекта  Доплера из-за удаления галактик друг от друга, причем скорость удаления оказалась  прямо пропорциональна расстоянию между галактиками. В конце 40-х  г. XX века американский физик советского происхождения Георгий Гамов (ученик А.Фридмана) предложил модель горячей  вселенной, согласно которой на ранних стадиях расширения вселенной ее вещество и излучение были не только очень плотными, но и очень горячими. Затем в указанной модели материя  вселенной начала расширяться. Момент начала расширения позднее получил  наименование "Большого Взрыва" (большого хлопка - Big Bang). Такое же название носит и сама гипотеза расширяющейся горячей вселенной - гипотеза "Большого Взрыва". Как считается, в 1965 г. эта модель получила экспериментальное подтверждение, когда американские ученые А.Пензиас и Р.Вильсон открыли в космосе изотропное микроволновое фоновое (реликтовое) излучение, предсказанное гипотезой Г.Гамова. Позднее значительный вклад в развитие модели горячей расширяющейся вселенной (гипотезы "Большого Взрыва") внесли советские космологи Я.Б.Зельдович и И.Д.Новиков, а также американский ученый Стивен Хокинг. В 80-е годы XX столетия американский физик Алан Гут и советский физик А.Д.Линде предложили модель "инфляционной" вселенной, которая дополняет фридмановскую модель и иначе рассматривает наиболее ранние стадии расширения вселенной.

В настоящее время космологическая  гипотеза "Большого Взрыва" является практически общепризнанной среди  космологов. Тайна начала вселенной, произошедшей от "Большого Взрыва", до сих пор волнует умы человечества и, как показала история, привела  ряд исследователей к мысли о  сотворении нашего мира всемогущим Творцом. Католическая церковь в 1951 г. приняла  идею "Большого Взрыва", как согласную с библейским учением о сотворении мира, и объявила о согласии научной и религиозно-католической картины мироздания. В 1981 г. на организованной Ватиканом конференции по космологии папа римский Иоанн-Павел II заявил, что областью науки является все, что произошло после "Большого Взрыва", но ученым не следует вторгаться в момент Взрыва, поскольку это сам акт Божественного творения.

Космогоническая гипотеза Лапласа (1769 г.) не объясняла распределение  момента количества движения между  Солнцем и планетами Солнечной  системы. Поэтому в 20-е годы XX-го века английский астроном Джеймс Джинс предложил  приливную гипотезу происхождения  Солнечной системы, согласно которой  в результате случайного сближения  Солнца с некоторой массивной  звездой на Солнце образовалась большая  приливная волна, приведшая к  извержению струй раскаленного газа. Струи газа со временем остыли и  стали сгущаться, постепенно образуя  планеты. Однако, в 40-е годы XX-го века математически было показано, что  и гипотеза Джинса не объясняет распределение  момента количества движения между  Солнцем и планетами. Кроме того, было показано, что размеры орбит  планет были бы на 2-3 порядка меньше наблюдаемых. Сомнительной была и сама возможность конденсации раскаленного газа в твердые тела. В это же время (40-е годы) советский исследователь  Отто Юльевич Шмидт выдвинул свою гипотезу об образовании Солнечной  системы. Согласно Шмидту, планеты сформировались из холодного газо-пылевого облака, которое было захвачено Солнцем  при его движении вокруг центра Галактики, когда Солнце в очередной раз  пересекало галактическую плоскость. Сгущение и конденсация вещества газо-пылевого облака привели к постепенному образованию планетезималей, которые  объединяясь, формировали планеты. Гипотеза Шмидта объясняла некоторые  наблюдаемые свойства Солнечной  системы. Позднее последователи  Шмидта существенно пересмотрели основные положения гипотезы своего учителя, отказавшись от предположения о  захвате и стали считать, что  Солнце и планеты сформировались одновременно из одной газо-пылевой  туманности. Идеи Шмидта, хотя и пересмотренные его последователями, стимулировали  дальнейшее развитие учения о происхождении  Солнечной системы.

Затронув кратко историю  космологических представлений, отмечу, что эти представления не только уточнялись, но и кардинально менялись по мере накопления новых наблюдательных данных и математического развития той или иной гипотезы. Такой драматический путь рождения, развития, умирания и замены той или иной космологической концепции характерен не только для астрономии, но и для всего развития естествознания. Научная истина, какой бы полной она не представлялась на данный момент, всегда является истиной относительной. Об этом никогда не следует забывать.

 

Гипотеза "Большого Взрыва" и  образования вселенной

Согласно гипотезе "Большого Взрыва", первоначальное состояние  вселенной характеризовалось чрезвычайно  большой плотностью и температурой, недостижимыми современной физикой. В пределе в момент времени  нуль, 10-20 млрд. лет назад, вся материя  находилась в сингулярности - в бесконечно малой области с бесконечно большой  плотностью и температурой. По неизвестной  науке причине в момент времени "нуль" произошел так называемый "Большой Взрыв", в результате которого материя (частицы, античастицы  и излучение) стала расширяться, заполняя все больший объем, причем состояние и свойства материи  были однородными и изотропными (без выделенных областей или направлений), а плотность и температура  частиц, античастиц и излучения снижались. Собственно сам "Большой Взрыв" нельзя называть взрывом в обыденном  смысле этого слова, поскольку при  всех известных взрывах не достигается  однородного и изотропного разлета  материи. Существующие теории вещества, излучения и гравитационного  поля, как предполагается, применимы  к материи, плотность которой  ниже планковской плотности (10⁹³ г/см³), а температура ниже планковской температуры (10³² К). Согласно фридмановской модели, указанные значения плотности и температуры наступили через планковское время (10^-43 с) после начала расширения материи, т.е. от момента "Большого Взрыва". Все процессы, которые происходили в интервал времени до планковского остаются невыясненными для современной науки. Начиная с планковского времени, можно высказать предположения какие процессы и как происходили в первичной материи. При столь высоких температурах энергии фотонов было достаточно для рождения пар всех известных науке частиц и античастиц. Так, при температуре порядка 10¹³ К протекали реакции рождения и уничтожения нуклонов (протонов и нейтронов) и антинуклонов, а также мезонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино и др. По мере понижения температуры до 5*10¹² К прекратились реакции рождения фотонами нуклон-антинуклонных пар; нуклоны и антинуклоны аннигилировали и остался небольшой (относительная доля 10^-9) остаток избыточных нуклонов, для которых не хватило античастиц. Из этих избыточных нуклонов позднее составится все вещество Метагалактики. Причина наличия избыточных нуклонов (протонов и нейтронов) науке не известна. При температуре порядка 10¹¹ К плотность материи уменьшилась до плотности ядерного вещества. С этого момента времени, как считается, возможно изучение эволюции материи по твердо установленным ядерной физикой законам. При температуре примерно 2*10¹⁰ К электронные нейтрино перестали активно взаимодействовать с частицами и отделились в свободный нейтринный газ, для которого вся материя вселенной стала прозрачной. Из-за расширения вселенной температура космологического нейтринного газа постепенно снизилась и в настоящее время должна составлять примерно 2 К, а плотность порядка 450 нейтрино на 1 см³. Наука пока не в состоянии обнаружить космологические нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют массу покоя, то эти частицы внесут весьма большой вклад в среднюю плотность материи - на порядок большую, чем плотность непосредственно наблюдаемого вещества. Когда температура материи снизилась до (1-2)*10⁹ К наступил и продлился несколько секунд (1-3 с) период активного ядерного синтеза: протоны и нейтроны образовали ядра гелия, других же элементов образовалось исчезающе мало. В результате ядерного синтеза во вселенной на ядра водорода (протоны) должно приходиться 75% общей массы нуклонов, а на ядра гелия - 25%. Такое же соотношение для ядер водорода и гелия реально наблюдается, что, как считается, подтверждает гипотезу "Большого Взрыва". (Количество гелия, образовавшегося при термоядерном горении водорода в звездах за все прошедшее время, оценивается всего лишь в 2% по массе.) После стадии термоядерных реакций температура материи была настолько высока, что вещество еще примерно 1 млн. лет оставалось в состоянии плазмы, равновесной с излучением. При температуре плазмы порядка 4000 К произошла рекомбинация - протоны присоединили электроны и образовался нейтральный водород; несколько ранее образовался нейтральный гелий. Наступила эпоха разделения вещества и излучения: фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и стали распространяться свободно в ставшем для них прозрачном мире. Можно сказать, что в космосе вспыхнул свет, поскольку фотоны имели планковский спектр, максимум которого соответствовал температуре 4000 К, что характерно для видимого (в оптическом диапазоне) света. Вещество - первичные газообразные водород и гелий - позднее образовало звезды и галактики. Излучение же, по причине расширения Метагалактики, постепенно снизило свою температуру (длина волны увеличивалась пропорционально радиусу вселенной), и сейчас регистрируется как микроволновое фоновое (реликтовое) излучение с температурой 2,7 К, длиной волны от 60 см до 0,6 мм (максимум излучения при 1,1 мм) и плотностью 400-500 фотонов на 1 см³. Наличие реликтового излучения считается еще одним подтверждением гипотезы "Большого Взрыва". Реликтовое излучение характеризуется высокой степенью изотропности, что подтверждает предположение о высокой изотропности первичного вещества во вселенной. Незначительные различия в интенсивности реликтового излучения, принимаемого от различных участков небесной сферы (анизотропия) несут информацию о характере первичных возмущений в веществе, которые, как полагают, в дальнейшем привели к образованию звезд, галактик и их систем.