Теория большого взрыва и эволюция вселенной

Рассмотрим эти 3 секунды более подробно.

Первый кадр. Начиная с 1/100 секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 млрд. градусов по Кельвину, Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами» ( Вайнберг С. «Первые три минуты», 1981).

Такими частицами были электрон, позитрон, фотон, нейтрино и антинейтрино.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд. градусов, но качественно ее состав не изменился.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов. Уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.

Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд. градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.

Пятый кадр. Температура Вселенной упала до 1 млрд. градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.

Шестой кадр. Со времени  первого кадра прошло более 34 минут.

Температура Вселенной упала до 300 млн. градусов. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации заряда протонов. Но температура ещё слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Разумеется, многое в стандартной гипотезе образования Вселенной ещё неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель, которая в качестве исходных частиц рассматривает кварки, из которых по современным представлениям построены известные теперь элементарные частицы.

Пройдет ещё свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения.

4. Стадии и следствия эволюции.

Как уже говорилось выше, эволюция Вселенной началась приблизительно 15-20 млрд. лет над и, соответственно, она охватывает две стадии: микро - и макроэволюцию.

Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул, а тем самым явилась предпосылкой для возникновения макроэволюции, в результате которой возникли окружающие нас макротела и их системы вплоть до систем галактических и внегалактических. Однако для их формирования существенное значение имело нарушение симметрий между различными физическими взаимодействиями.

Этот период существования Вселенной можно образно представить как периодическую смену темноты светом. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и, соответственно, понижения ее  температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы-протоны и нейтроны.

Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества.

Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло

 то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная то атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованьями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Освобождение гравитационных сил, произошедшее вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно 700 000 лет после взрыва, привело к образованию звезд, галактик и других космических систем. Гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюции взаимно обуславливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение  и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции.

Наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно историческая эволюция человечества.

Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы их существовавших в разное время биологических знаний.

Биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из молекул неорганических.

В ходе дальнейшей эволюции возникают первые живые клетки, сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем клетки с ядрами - экуариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации и конкуренцию с другими системами для отбора. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли в результате самоорганизации структур.

Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 50 млн. лет назад. Спустя примерно столько же лет появились первые животные - гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных

5. Научные обоснования расширения и эволюции Вселенной.

Идея статичности Вселенной была очень привлекательна, т.к. она питалась фактом видимой стационарности, неизменности астрономических тел и систем, будь то солнечная система, звёзды и т.д. Мысль об эволюции представлялась нелепой, и эта мысль с большим трудом овладевала сознанием даже крупных ученых.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону предметы притягиваются с силой, прямо пропорциональной их массе. Она изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Другими словами, если расстояние увеличивается вдвое, то сила тяжести уменьшается в 4 раза. За математическими выкладками Ньютона лежит озарение, которое пришло к ученому в саду, когда он увидел, как яблоко падает на землю. Эта легенда хорошо известна. Но даже если этого случая и не было в действительности, открытый закон справедлив: яблоко и Луна, булыжники и планеты - всем управляет одна и та же сила. Закон тяготения универсален.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

А.Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности), которая является теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он понимал важную роль теории относительности для космологии. Но уравнения общей теории относительности в применении к Вселенной не давали статических решений, т.е. решений, описывающих состояние, не меняющееся со временем. Идея статичного мира казалась настолько привлекательной, что А.Эйнштейн не поверил своим уравнениям и стал их изменять. Сегодня эти поиски статических решений космологических уравнений кажутся принципиально неправильными уже потому, что теперь установлена эволюция всех тех небесных тел и систем  небесных тел, где раньше видели только неизменное свечение или постоянное движение по круговым орбитам.

Но именно на основе теории А. Эйнштейна советский ученый А.А.Фридман в 1922-24г. построил математические модели движущегося вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Он доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое - Вселенная не может быть стационарной; она должна либо расширяться, либо сжиматься и, следовательно, плотность вещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться. Решение уравнений А. А. Фридмана допускает три возможности.

1.Если средняя плотность вещества  и излучения во Вселенной равна  некоторой критической величине, мировое пространство оказывается  евклидовым и Вселенная неограниченно  расширяется от первоначального  точечного состояния.

2.Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией  Лобачевского и так же неограниченно  расширяется.

3.Если плотность больше критической, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственная бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными.

Остается нерешенным вопрос: «куда», «во что» расширяется Вселенная? Этот вопрос неправилен сам по себе. Вселенная-это все, что существует. Вне Вселенной ничего нет. Причем нет, не только галактик или какой либо другой материи, но и вообще ничего - ни пространства, ни времени. Нет той пустоты, в которую можно расширяться. Так куда же растягивается Вселенная?! Ведь она и так простирается до бесконечности. Очевидно, таковы свойства бесконечности. Увеличив бесконечность вдвое, будем иметь все ту же бесконечность. Тогда возникает еще один важнейший вопрос: почему Вселенная именно расширяется? Что придало скорости галактикам?

В 1929 году 20 века американский астроном Эдвин Хаблл исследовал спектры света, приходящего из галактик. Спектры туманностей, принадлежавшие водороду, гелию и другим «земным элементам», смещены к линиям красного света. Это явление получило название красное смещение. При этом для разных галактик величина смещения различна и пропорциональна расстоянию от Земли  до соответствующей галактики: чем дальше от нас туманность, тем больше смещение, и наоборот. Следовательно, все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем скорость этого удаления больше. Скорость была огромной: от 2-3 сотен до 1100км/сек. Это триумфальное открытие подтвердило расширение Вселенной. Также он вычислил расстояние до целого ряда галактик.

Оказалось, что существует простая зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до неё:

- закон пропорциональности  скорости удаления галактик их  расстоянию.

Коэффициент пропорциональности Н - постоянная Хаббла.

Американскому астрофизику В.М.Слайферу удалось вычислить расстояние до некоторых галактик с помощью пульсирующих звезд, меняющих свой блеск-цефеид. Цефеиды были открыты и в других галактиках. Было окончательно установлено, что галактики - далекие звездные системы, подобные нашей.