Концепции современного естествознания

Концепция космологии

С этой темы начинается изучение концепций как таковых. Существует несколько понятий космологии:

это наука об эволюции Вселенной;
современная космология это астрофизическая теория структуры и динамики изменения метагалактики, которая дает определенное понимание о свойствах всей Вселенной.

В этой концепции пересекаются другие научные концепции об окружающем нас мире. Концепция космология на собственном примере позволяет нам впервые проследить и увидеть структурное строение. Т.е. представления, которые мы имеем сейчас, они во многом основаны на существующих астрофизических моделях. Модели, т.к. космология это специфический, уникальный предмет для изучения. В связи с этим мы пользуемся и разрабатываем модели, которые почти адекватно отражают существо процессов происходящих вокруг нас. Помимо моделей существуют и концепции, но и те и другие являются вероятностными. Современная концепция космологии основывается на астрофизических наблюдениях, общей теории относительности, физики элементарных частиц (физики микропроцессов) и физики высоких плотностей энергии. Здесь можно еще отметить квантовую механику, квантовую хромодинамику. Особенностью космологии как науки является то:

что она более чем любая другая наука связана с философскими представлениями (концепциями);
в этой концепции пересекается множество других концепций, в том смысле, что она включает в себя различные концепции;
имеет большой исторический период развития, который начинался с мифологии, т.е. космология имеет теснейшие связи с мировоззренческими воззрениями.

Можно выделить две ветви развития космологии:

Мировоззренческая концепция.
Научная концепция, которая постоянно подпитывалась знаниями из различных областей науки.

На каком основании мы можем делать те или иные умозаключения, которые происходят в масштабах всей вселенной? Ответ на этот вопрос содержится в методологической установке, согласно которой на разных уровнях существования природы действуют одни и те же законы. Здесь уместно вспомнить схему организации структурных уровней существования материи. При переходе от одних масштабов организации материи к другим, если переходы достаточно велики (микро и мега уровень), могут происходить и происходят глубокие качественные изменения. Суть этих рассуждений достаточно проста. Она состоит в том, чтобы попытаться ответить на вопрос, есть ли связь между микро и макро уровнем, каковы законы перехода, что происходит при эволюции вселенной на микро и макро уровнях. Как шел процесс трансформации и был ли он вообще? Эти вопросы возникли сравнительно недавно. Начало научной космологии связывают с Николаем Коперником. Он поместил солнце в центр Вселенной, в этом его принципиальная заслуга, и при этом низвел Землю до уровня рядовой планеты, а ведь в ранее существовавших концепциях Земля была помещена в центр мироздания. Согласно его представлениям природа звезд для него была неясной. Он поместил звезды в так называемую сферу, но поскольку он был служителем церкви это оказало влияние на его концепцию и он закончил свою концепцию тем, что за сферой неподвижных звезд, которую он наблюдал, находится так называемый эмпирей или жилище блаженных, что являлось, по его мнению, обителей сверхъестественных сил. Джордано Бруно пошел дальше, он считал звезды далекими солнцами, которые согревают бесчисленные планеты других планетных систем. Согласно ему, Вселенная являлась бесконечной, кроме того, существовало бесконечное количество миров подобных Земле. Космология Д. Бруно это концепция бесконечной вечной Вселенной. После изобретением Галилеем телескопа, концепция Бруно подтвердилась. Следующий шаг развития космологии был сделан благодаря концепции Кеплера, который выявил закономерности движения планет. А Ньютон обнаружил, что все космические тела независимо от свойств и размеров тяготеют друг к другу. После того, как Ньютон доказал концепцию всемирного тяготения, ее называют классической и она сводится к следующим положениям:

Вселенная считается бесконечной в пространстве и времени.
Основным законам, который управляет движением и развитием небесных тел является закон всемирного тяготения.
Пространство никак не связано с находящимися в нем телами.
Количество звезд, планет и звездных систем во вселенной бесконечно велико.

Пространство ранее считали вместилищем материи, и она никак не связана. Это положение оказалось неверным, но тем не менее, эти формулировки классической концепции космологии на долгое время получили всемирное признание и понимание, т.к. альтернативы не было. Надо сказать, что именно на современном этапе наука подошла к систематическому изучению космологии, благодаря многим фундаментальным открытиям в физике. Наиболее проблемные вопросы касаются таких моментов:

определение возраста Вселенной
происхождение Вселенной
эволюция Вселенной.

Термин эволюция употребляется в более широком смысле и под ним понимают глубинные изменения и преобразования в масштабах всей Вселенной. Сейчас доказано, что наша Вселенная эволюционирует. Прежде всего, вопросы, связанные с эволюцией, касаются процесса изменения расстояния между космическими телами и образование новых структур во Вселенной. В настоящее время можно отметить следующие факты:

 факт расширения вселенной;

 это асимметрия между веществом и антивеществом, которая выражается в преобладании вещества в структуре нашей Вселенной;

 однородность и изотропность светящейся материи;

 существование реликтового излучения, оно доходит к нам с Начала (с момента когда образовалась Вселенная).

 существование ячеистой структуры Вселенной.

С позиций современного космического эволюционизма, возникновение и развитие Вселенной следует рассматривать как результат, с одной стороны дифференциации, с другой - усложнения форм организации материи. Эти положения основаны на результатах работ нашего соотечественника Фридмана в 1922г. Он взял за основу теорию относительности и путем расчетов установил и показал возможность существования расширяющейся Вселенной. Хаббул при проведении анализа спектральных линий установил, что происходит "разбегание" галактик, это означает, что в настоящее время галактики разбегаются не только от наблюдателя, но и друг от друга, по сути дела его работы были оформлен в виде следующего закона: "Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга". Данный закон определенно важен для существования Вселенной, т.к. сценарий "разбегания" или сжатия галактик приведет к различным последствиям. По оценкам возможных гипотез оказывается, что "разбегание" галактик в какой-то момент может приостановиться. Если предположить это, то возможно, что со временем может начаться их сжатие, и такой сценарий может привести к коллапсу, т.е. если бесконечно большая масса будет стянута в малую точку, то произойдет взрыв (так вроде бы и образовалась наша Вселенная). Эту точку еще называют точкой сингулярности. Фактически точка сингулярности математическая абстракция, но здесь при переходе из этой точки будет глубокий революционный скачок.

Сценарии:

расширяющейся вселенной
сжимающейся вселенной
пульсирующей вселенной.

Это означает, что в процессе эволюции Вселенной, процессы расширения и сжатия будут сменять друг друга, т.е. будут наблюдаться циклы. Вопрос сценариев до конца не решен по причине скрытой массы, т.к. она влияет не только на силы сжатия/отталкивания, но она может кардинальным способом изменять пространство в котором она находится. Здесь мы приходим к тому, что пространство и масса взаимосвязаны, и эта взаимосвязь достаточно весома. Скорости с которой удаляются галактики друг от друга исчисляются десятками тысяч километров в секунду. Анализ обратной ситуации того, что после расширения, Вселенная когда-то была сжата и что 15-20 миллиардов лет назад наша Вселенная была сконцентрирована в малом объеме 10^-33 сантиметра. Наша Вселенная является результатом большого взрыва, из сверх плотного вещества 10⁹³ грамм/см³. Концепция большого взрыва в настоящее время получила широкое признание и считается стандартной моделью. И все-таки концепция большого взрыва испытывала определенные затруднения при объяснении ряда фактов. Она не давала ответа - чем определяется образование галактик при их возникновении из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества (если бы антивещества было больше, чем вещества, нашего мира бы не существовало)? Была разработана теория инфляции или теории раздувающейся Вселенной. Разработка теории принадлежит Бутту и Стейнхарду. В рамках этой модели проводились работы российских физиков в частности Линделя. Модель раздувающейся Вселенной не противоречит модели большого взрыва, она фактически совпадает с тем сценарием, который предложен в рамках большого взрыва, но совпадает она в 10^-30 степени после начала расширения. Инфляционная концепция проникает в более ранние этапы времени зарождения Вселенной, т.е. со времени вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях возникновения, Вселенная имела неустойчивое, вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Полагается, что эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, т.е. как бы из ничего. Если говорить о физическом вакууме, то в этом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но с другой стороны это не является безжизненной пустотой. Тем не менее, в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Исходя из этого, что вакуум наполнен этими виртуальными частицами, взаимодействующими между собой, вводят понятие энергетических уровней вакуума. В соответствии с этим, энергия имеющаяся в вакууме, расположена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням и происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Несмотря на то, что такое состояние вакуума является неустойчивым и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Именно эти процессы ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории расширение Вселенной в 10⁵⁰ раз, больше чем полагалось в концепции большого взрыва. Согласно этой теории идет гигантское расширение с образованием гигантской энергии и при этом происходит понижение температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной. Полагается, что температура нагрева достигала порядка 10²⁷ Кельвина. Когда говорят о характере высвобожденной энергии полагается, что она описывается теорией великого объединения, которую можно представить как некую суперсилу, которая объединяет (а точнее объединяла) в то время гравитационное сильное, ядерное слабое и электромагнитное взаимодействие. Полагается, что процесс расширения Вселенной продолжался примерно в 10^-35 до 10^-30 секунды это так называемая фаза инфляции. А с последующего времени эволюция Вселенной достаточно хорошо описывается теорией горячего большого взрыва. Та энергия, которая постепенно высвобождалась шла на энергию излучения, которое и есть реликтовое излучение. Когда говорят о ранних стадиях эволюции Вселенной вводят понятие многомерной пенистой структуры пространства и времени. До сих пор мы не говорили о времени, на самом деле полагается, что пространство и время образовывались одновременно. Эволюция материи Вселенной. Согласно современным космологическим моделям, процесс эволюции материи на уровне микромира и мегамира происходил поэтапно. Эти этапы в космологии принято называть эрами. Для каждой из эр характерна своя организация материи и вид взаимодействия. В пространстве и времени на ранней стадии образования была некая суперсила, затем по мере развития она стала разделяться.

Эры:

Великого объединения. Охватывает промежуток времени приблизительно от 10^-43 до 10^-35 секунды и включает в себя превращение материи от возбужденного вакуума через его разрушение до образования сверхплотной материи. Именно на этом этапе действует суперсила.
Адронная эра. Охватывает промежуток от 10^-35 до 10^-6 секунды. Начало эры адронов знаменуется большим взрывом. Адронами называют частицы, которые обладают вещественной массой и им принадлежит роль сильного взаимодействия. После этого взрыва, единая суперсила распадается на гравитационное, слабое и т.д. Результатом такого разделения стало образование кварков и лептонов, а на их основе адронов. Из адронов образуются протоны и нейтроны, т.е. те элементы, которые являются основными слагаемыми вещества вселенной.
Лептонная эра. Промежуток от 10^-6 до 1 секунды.
Фотонная эра. От 1 секунды до 1 млн лет. Считается, что начало новой эры ознаменовалось разделением электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Температура Вселенной начала снижаться в эту эру в промежутке от 10¹⁰ Кельвина до 10³ Кельвина. Снижалась энергия нуклонов, а нейтроны стали захватываться протонами. Что привело к образованию ядер гелия, на долю которых приходилось до 25% всего вещества, а затем при объединении свободных протонов и электронов образовался атомарный водород, на долю которого приходилось до 75% всего вещества. Именно в эту эру во Вселенной образовался газ, состоящий из атомов водорода, гелия, и считалось, что в это время стало возможным образования очень небольшого количества бериллия и лития. По мере дальнейшего расширения Вселенной и ее охлаждения (газа) начали образовываться газовые облака, из которых постепенно стали образовываться протогалактики. В результате уплотнения этих протогалактик происходило притягивание к ним остального вещества. Вследствие этого сила тяготения возрастала. Под действием сил самогравитации происходило дальнейшее сжатие этих образований. Считается, что по мере эволюции этих образований, примерно через 1 млрд лет, начался процесс звездообразования.
Эра образования галактик и звезд. Откуда произошло образование более тяжелых элементов? Считается, что оно происходило в недрах звезд. Т.е. многие элементы являются продуктом взрывов этих звезд, которые сопровождаются грандиозными вспышками и являются результатами ядерных реакций. Здесь употребляют термин взрыв сверхновой звезды. В результате такого взрыва по галактике разбрасывается большое количество тяжелых элементов. При образовании нового поколения звезд, строительным материалом для них являются продукты взорвавшихся звезд. Таким образом, можно считать, что наша планета образовалась из звездного пепла.
Современная эпоха.

Содержание