Современные представления о Вселенной
Вступление
Исследования Вселенной занимают особое место не только в естествознании, но и культурной истории человечества. Астрономия является древнейшей и одной из самых мировоззренческих значимых естественных наук. Если к ней добавить концепции космологии и космогонии, то важность вклада этой отрасли знаний в формирование современной картины мира становится неоценимой. Это абусловлевает огромный интерес к ней не только со стороны ученых, но и самых широких слоев общественности, в том числе студенчества.
Вселенная поражает воображение своим величием, своими колоссальными пространственно-временными формами. Космическая бездна манит к себе исследователей, которые постепенно вскрывают внутренние «механизмы» космогенеза, законы структурной организации мегамира и раздвигают тем самым границы представлений о самой Вселенной.
Каждый переломный этап развития естествознания был связан с новыми открытиями в исследованиях Вселенной. Что приводило к переосмыслению «вечных» вопросов - о происхождения мира, жизни, разума, месте человека в мироздании и способствовало изменению мировоззренческих принципов, а в конечном итоге - структурной перестройке научной картины мира.
1. Своеобразие глобального эволюционизма
солнечный галактика вселенная эволюционизм
Астрономические наблюдения доказывают, что материя во Вселенной находится в непрерывном развитии. Это относится к ее разнообразным формам и состояниям - от газовых и пылевидных космических образований, имеющих очень малую плотность, до сверхплотных объектов, таких, например, как «черные дыры»; от звезд и звездных объединений до огромных по размерам галактик.
Постоянное качественное изменение форм и видов материи проводит к важному следствию: различные объекты Вселенной не могли возникнуть одновременно, а формировались в разные эпохи ее глобальной эволюции. Именно раскрытие закономерностей рождения и эволюции этих космических объектов и систем, а также особенностей развития самой Вселенной и входит в задачи глобального эволюционизма. Данные задачи решаются путем разработки научных концепций, основанных на астрономический наблюдений и их теоретическом обобщении, а также на достижениях других отраслей естествознания (физики, математики, химии, геологии).
Космология-область науки, в которой изучает происхождение и развитие небесных тел и их систем. Условно она разделяется на планетную космологию и звездную. Космология же рассматривает Вселенную как единое целое. Поэтому важное значение космологических концепций состоит в том, что они дают представление об общих закономерностях строения и эволюции Вселенной, выступая основными элементами познания бесконечного материального мира.
По мере развития естествознания, с его новыми научными открытиями, появляются и новые глобальные космогонические и космологические концепции. При этом учет таких парадигм современного естествознания, как эволюционизм, типологизм, космизм и целостность, играет важную роль в обобщении наших знаний о мире космоса, о структуре Вселенной, помогает построить глобальные модели ее развития.
Глобальный эволюционизм базируется на современной космологии. Космология же является одним из трех разделов естествознания, которые находятся на стыке (пересечении) различных наук: астрономии, физики, математики. Здесь используются методы исследования и концепции, существенно различаются по своему характеру. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, основанным на концептуальных положениях физики и всесторонне подтвержденным многочисленными астрофизическими наблюдениями.
2. Основы современной космологии
Научная космология формируется в XX веке, а ее зарождение связанно с именем А. Эйнштейна, создавшего в 1916 г. Релятивистскую теорию тяготения (общую теорию относительности), которая стала теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он разработал стационарную замкнутую сферическую модель Вселенной, характерной чертой которой была конечность пространственного сечения, хотя с точки зрения внутренней геометрии это пространство представлялось неограниченным. В своей концепции Эйнштейн связал между собой пространство и время в единую ценность - пространственно-временной континуум (ПВК). ПВК Эйнштейна можно представить в виде четырехмерного цилиндрического мира с конечным трехмерным пространственным сечением и неограниченной осью времени.
В течении веков создавались различные космологические модели, но почти все они носили стационарный характер, то есть отражали статичность, неизменность Вселенной, ибо сама мысль о возможности ее эволюции казалась исследователям нелепой, абсурдной, противоречащей здравому смыслу.
Современный этап развития космологического знания начинается с работ замечательного российского ученого А.А. Фридмана. Основываясьна теории Эйнштейна, он в 1922 г. Доказал, что Вселенная не остается постоянной, неизменной во времени, а должна либо расширяться, либо сжиматься. На базе фридмановских решений возможно построение трех типов моделей Вселенной, вид которых определяется средней плотностью материи.
Если плотность материи равна критической rкр10г/см3, то пространство не искривляется, его геометрия евклидова, а Вселенная равномерно расширяется в бесконечность.
1.При плотности меньшей критической кривизна пространства отрицательна, и Вселенная носит открытый характер, причем скорость ее расширения выше чем в первом случае.
2.Если плотность материи больше критической, то пространство замкнутое с положительной кривизной. Вселенная имеет закрытый характер: она сначала расширяется до определенного деленного значения своего радиуса, а затем сжимается в точку.
Концепция А.А. Фридмана получила в 1929 г. Свое блестящее подтверждение: американский астроном Э. Хаббл, благодаря многочисленным наблюдениям установил факт расширения Вселенной, проявляющийся в разбегании (разлете) галактик. Данное открытием стало одним из величайших достижений современного естествознании, посредством которого была доказана глобальная эволюция вселенной.
В настоящее время пока еще не установлена средняя плотность космической материи, а следовательно невозможно с достаточной достоверностью указать, какому типу фридмановских моделей соответствует наша Вселенная.
Рассмотренные фридмановские модели применимы в основном к мегамиру. В области же микромира, а именно там произошел процесс зарождения нашей Вселенной, действуют иные законы, которые должны учитывать квантовые эффекты. В далеком прошлом - около 18 млрд. лет назад, размеры Вселенной были микроскопичны, а плотность и температура достигали огромных значений. Такое состояние ученые назвали сингулярным.
В конце сороковых годов американский ученый русского происхождения Д.Ж. Гамов выдвигает концепцию горячего происхождения Вселенной в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие в плотном веществе на начальных этапах. Температура здесь была чрезвычайно высокой и падала по мере возвышения Вселенной. Концепция Гамова сделала два важнейших предсказания, подтвержденные в последствии астрономическими наблюдениями. Во первых, вещество из которого на определенном этапе глобальной эволюции сформировались первые звезды и галактики состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%). Во вторых, в современной Вселенной присутствует слабое электромагнитное излучение, названное реликтовым, оставшееся от начальных этапов расширения.
Концепция происхождения Вселенной в результате Большого взрыва стала в настоящее время общепринятой, а астрономы дали ей название «стандартной модели». Начальное стремительное расширение Вселенной характеризовалось колоссальными плотностью, давлением и температурой (100 млрд. градусов по Цельсию). В таких условиях никакие формы жизни зародиться не могли, существовали лишь элементарные частицы в виде ионизированной плазмы. Поэтому данная концепция научно обосновывает тот факт, что живая материя а затем и разум могли появиться только на определенном этапе эволюции самой Вселенной, когда для этого сформировались естественные предпосылки.
К концу первых трех минут температура резко упала до 1 млрд. градусов, что позволило протонам и нейронам объединиться с образованием ядер водорода и гелия. Когда возраст Вселенной достиг несколько сотен тысяч лет материя уже охладилась до трех тысяч К. это привело к соединению электронов с ядрами водорода и гелия и возникновению их атомов. Через семьсот тысяч лет появившейся газ стал конденсироваться под действием сил гравитации в определенные сгустки, из которых затем и шло образование звезд и галактик. В дальнейшим уже в нутрии звезд происходили процессы синтезахимических элементов.
Спонтанное расширение Вселенной (большой взрыв) имеет коренное отличие от взрывных процессов окружающего нас макромира, где вещество разлетается сквозь пространство. Во Вселенной с разлетом вещества одновременно расширяется (раздувается) и само ее пространство. Причем, на каждом этапе данного расширения качественно менялась структура; вначале появляется ионизированная плазма затем возникают материальные частицы, из которых зарождаются звезды, из звезд формируются звездные системы галактики.
3. Крупномасштабная структура Вселенной
Крупномасштабную структуру нашей Вселенной составляют галактики - гигантские звездные системы. Вся ранняя Вселенная состояла из разреженного вещества (газа), именно космический газ, в основном водород, определяет важнейшие особенности звездных систем. Из этого газа и сейчас рождаются звезды, сотни миллиардов которые образуют нашу галактику.
Далекие звездные системы - галактики, а так же их скопления являются наибольшими структурными единицами Вселенной, размеры этих скоплений и количество содержащих в них галактик различны. Большие скопления содержат до тысячи галактик и имеют громадные пространственные размеры. Среднее же расстояние между ними примерно в десять раз больше, чем размеры самих этих галактических скоплений.
Если рассматривать отдельные области Вселенной, то очевидна их неоднородность. Галактики, собранные в разномасштабные группы и скопления, образуют ячеисто - сетчатую крупномасштабную структуру Вселенной. Современные представления о подобной структуре основываются на научных работах Российского физика - теоретика Я.Б. Зельдовича. Скопление галактик располагаются в космическом пространстве как бы в виде отдельных нитей объемной (трехмерной) сети. Находящиеся в узлах этой сетчатой структуры сверхскопления галактик удалены друг от друга на громадные расстояния порядка 100-300 мегапарсек. Подавляющий объем Вселенной приходится именно на сами ячейки в нутрии которых находится пустота. Если же охватывать пространство Вселенной в целом, то распределение галактик и космического вещества вообще ее объеме приблизительно однородно.
Раньше считалось, что вся космическая материя сосредоточенна в святящихся галактиках, но в настоящее время выдвигаются гипотезы невидимого вещества, скрытая масса которого, вероятно занимает основную часть Вселенной.
Помимо однородности крупномасштабная структура Вселенной характеризуется так же изотропностью т.е. независимостью свойств от направления в пространстве. В любой области космоса сходные объекты, например звезды, имеют одинаковые свойства, а их развитие подчинено одним из тем же закономерностям.
Наша Вселенная эвалюционирует процессы изменения в ней происходили миллиарды лет назад, происходят они и в настоящее время, но уже не в таком быстром темпе. Сегодня астрономы фиксируют взрывы сверхновых звезд, преобразовывания галактических системах. вещество здесь постепенно перерабатывается благодаря ядерным реакциям, идущим в звездах: водород превращается в гелий, а в последующем - в более тяжелые химические элементы. Сами же галактики стремительно разлетаются друг от друга из-за расширения пространства Вселенной. Скорость их удаления от нашей Галактики достигает колоссальной -100 км/с., причем, чем дальше галактики от нас тем выше скорость их удаления. Зависимость между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее предсказывается концепцией расширяющиеся вселенной. С точки зрения ее внутренней структуры процесс расширения представляет собой равномерное растяжение трехмерной сети, образованной галактическими скоплениями, вместе с увеличением размеров ячеек пустоты между ними.
. Эволюции галактик и их классификация
Тайна появления во Вселенной галактик является самой притягательной в глобальном эволюционизме. Это обусловлено тем, что свойства галактик в огромной мере определяются начальным периодом их жизни. Поэтому концепции, отражающие рождение и эволюцию галактик, должны дать ответы на следующие вопросы: почему они имеют такие массы, почему у них именно такие размеры, которые фиксирует современная астрономия, почему существуют различные типы галактики, наконец, почему они состоят из звезд.
В настоящее время доминирует концепция образования галактик (в том числе нашей Галактики), в которой выделяются следующие активные фазы эволюции.
.Вначале сформировалась сферическая газовая подсистема. Этот процесс прошел довольно быстро (по космическим меркам), всего за несколько сотен миллионов лет за счет свободного сжатия (коллапса) холодного пртогалактического газового облака под действием силы гравитации.
.По мере сжатия из небольшой части начальной массы газа стали образовываться звезды, протогалактика разогревается от вспышек сверхновых звезд, становится «горячей». Внутреннее давление в ней возрастает, повышая гравитационное притяжение. Процесс сжатия сменяется разлетом протагалактического облака.
.Через длительное время внешняя оболочка протогалактики сбрасывается в окружающее космическое пространство, а центральная ее часть начинает сжиматься. В процессе этого нового коллапса (сжатии) газ внутри галактики охлаждается и из отдельных его фрагментов рождаются звезды нового поколения.
.Центральная часть галактики сжимается в диск ив дальнейшем идет формирования звезд ее дисковой подсистемы.
Помимо всех указанных процессов на всех этапах(фазах) своего образования галактика совершает также вращательное движение вокруг собственной оси.
Структура галактик весьма разнообразна, а их количество в пространстве Вселенной, доступно современным телескопам, огромно и составляет сотни миллиардов. Большинство из этого многообразия оказалось возможно объединить в несколько основных типов, т.е. классифицировать. В первые такую классификацию, действующую и поныне, предложил в 1925 году Э. Хаббл. Согласно ей, галактики разделяются на пять основных типов:
Эллиптические, линзообразные, обычные спиральные, пересеченные спиральные и неправильные (или иррегулярные).
Эллиптические галактики имеют вид эллипсов разной степени сжатия, начиная с шаровидных. Они совершают медленное вращение. Более заметное вращение появляется только у галактик со значительным сжатием. Линзообразные галактики имеют сильносжатое центральное сгущение, похожее на линзу. Спиральные галактики также имеют центральное сгущение, от которого отходят спиральные ветви или рукава. Если у обычных спиральных галактик ветви выходят непосредственно из центрального сгущения, то у пересеченных спиральных галактик они отходят от перемычки, пересекающей это центральное сгущение. Иррегулярные галактики характеризуются колочковатой структурой и не имеют правильной формы.
С данной классификацией непосредственно связан и возраст галактик: эллиптические называют ранними, т.к. они возникли на ранних стадиях формирования структуры Вселенной, а следовательно являются самыми старыми. Спиральные же возникли гораздо позже и поэтому считаются более молодыми. Если в старых, эллиптических галактиках процесс звездообразования практически полностью завершился 5-7 млрд. назад, то в молодых спиральных спиральных этот процесс еще интенсивно идет.
От типа галактик зависит и их расположение в бескрайних космических просторах. В скоплениях обычно преобладают эллиптические галактики, концентрирующиеся в центре, а спиральные располагаются на периферии (на окраинах). Не все галактики входят в скопления, многие из них разбросаны в космическом пространстве и существуют как бы сами по себе, это в основном спиральные галактики.
5. Солнечная система в галактике
Звезды расположены вокруг Земли неравномерно, в одних местах их мало, а в других наоборот. Через весь небосклон от горизонта до горизонта проходит яркая полоса звезд, именуемая Млечным Путем. Если наблюдать Млечный Путь из космического корабля, то видно, что он представляет собой своеобразный звездный пояс, охватывающий большую область космического пространства вокруг Земли. Это - видимая часть Галактики, в нутрии которой расположено и Солнце со своими планетами, и сотни миллиардов других звезд.
Наша Галактика относится к спиральному типу и представляет собой громадный плоский диск с утолщением в середине. Из этого центрального утолщения - ядра, где плотность звезд наибольшая, в плоскости диска исходят спиральные рукава, в которых плотность звезд тоже высока. Солнце располагается близко к середине радиуса галактического диска и расстояние от него до центра Галактики в два миллиарда раз превышает расстояние от Земли до Солнца.
Астрономические исследования различных звезд и звездных систем дало ученым полное основание считать Солнце обычной, рядовой звездой, исключить представление о привилегированности Солнечной системы в пространстве Вселенной. Согласно закону всемирного тяготения звезды, входящие в Галактику, движутся по орбитам вокруг ее ядра. Солнце вместе со своим планетами совершает полный оборот за двести с лишнем миллионов лет.
Все звезды излучают мощную энергию, источником которой являются ядерные реакции, происходящие в их недрах. Но любые источники энергии имеют конечные запасы, поэтому и Солнце, и другие звезды рождаются, развиваются и умирают, отдавая свое вещество и энергию окружающему их космосу.
Образование Солнечной системы по современным представлениям связываются сформированием Солнца, как одной из типичных звкзд из газопылевой космической среды 5 млрд. лет назад. Газопылевое образование (облако) вначале совершало медленное вращение, но по мере его сжатия скорость вращения увеличивалась. Форма этого облака стала напоминать диск, из центральной части которого и образовалась солнце. Его масса составляет подавляющую долю - 99,97% - всей Солнечной системы. Внешние же области диска разделялись на фрагменты (сгущения), которые явились зародышами планет, двигающихся по орбитам вокруг Солнца. Из них постепенно, в течении сотен миллионов лет, сформировались сами планеты, в том числе и наша земля, вероятный возраст которой сейчас составляет - 4,5 млрд. лет.
Рассмотренная концепция Образования Солнечной системы была разработана в 1941-1949 гг. российским академиком О.Ю. Шмидтом и развитии в дальнейшем его учениками и последователями.
Заключение
К началу XXI века происходит возрождение на новом - научном уровне античных представлений о космосе как органичном единстве взаимозависимости, стройности, порядка и целесообразности. Этим и обусловлен тот ценнейший вклад, который вносит современное естествознание и исследования Вселенной. Что влечет за собой не только изменения научного мышления, но и культуры в целом.
Парадигма эволюционизма позволяет преодолеть извечное противопоставление природы и человеческой культуры (как материальной, так и духовной), показав их включенность в коэволюционные процессы - совместное, взаимообусловленное развитие земных и космических систем.
Активное теоретическое и практическое вторжение человека в новую область реальности - космическое пространство, преобразование его объектов и систем ставит морально-этические вопросы об ответственности человечества не только за будущее цивилизации и за судьбу земной биосферы, но и за сохранение гармонии окружающего космоса.
Литература
солнечный галактика вселенная эволюционизм
1.Астрономия и современная картина мира / Отв.ред. В.В. Казютинский. М. 1996.
2.Витол Э.А. Концепции современного естествознания: Уч. пос. Изд. 2-е. Ростов н/Д 1998.
.Киппенхан Р. 100 миллиардов солнц. М., 1990
.Леви Дэвид Х. Звезды и планеты: Энциклопедия. М. 1998.
.Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988.
.Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.
.Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М., 2002.
.Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1987.