Что такое нестационарная вселенная
Теория нестационарного состояния Вселенной (А. Эйнштейн, А. Фридман, Э. Хаббл, Г. Гамов, А. Гут, А.Д. Линде)
1. Нестационарность означает:
· Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
· либо Вселенная сжимается;
· либо во Вселенной чередуются циклы сжатия и расширения.
2. Вселенная конечна в пространстве и имеет начало и конец во времени.
3. Базируется на постулатах Специальной (1905) и Общей (1916) теории относительности А. Эйнштейна.
В рамках теории нестационарного состояния Вселенной существуют несколько концепций.
1. Теория Большого взрыва. В ее разработке приняли участиеДж. Леметр, А. Фридман, Э. Хаббл, Г. Гамов.
Согласно этой теории вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время – около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.
2. Теория инфляции. В ее разработке приняли участие А. Гут, А.Д. Линде.
Гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10 28 К), предполагает период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения (А. Гут).
3. Теория хаотической инфляции (Мультивселенной) – развитие теории инфляции. Согласно ей, в результате Большого взрыва образовались и продолжают образовываться множество «карманных» Вселенных, каждая из которых проходит свой цикл инфляции. Каждая из этих вселенных имеет свой набор физических констант и свои физические законы (А. Линде).
Таблица 1
Краткая история развития Вселенной
Название эпохи | Физические процессы | Время, прошедшее с момента Большого Взрыва | Темпера-тура |
Рождение классического пространства-времени. Состояние сингулярности | Вселенная рождается из состояния сингулярности, из пространственно-временной «пены» | 5∙10 –44 c | 10 32 К |
Стадия инфляции | Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия. Температура и плотность резко падают | 5∙10 –44 –10 –36 c | более 10 28 К |
Рождение вещества | Появляется горячая плазма, состоящая из элементарных частиц. Появление античастиц | начиная с 10 –36 c | 10 28 К |
Стадия рекомбинации | Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения. Частиц оказалось на одну миллиардную долю больше, чем античастиц, из чего и рождается материя и вещество | вплоть до 1 с | 5∙10 12 –10 13 К |
Первичный нуклеосинтез | Возникновение ядер водорода и гелия, а также лития и бериллия | 1–200 с | 10 9 –10 10 К |
Стадия рекомбинации водорода | Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения (не генерируется никакими телами современной Вселенной, открыто в 1965 г.) | 1 с – 1000000 лет | 4500–3000 К |
Возникновение галактик | Начало возникновения звезд и галактик, скоплений галактик | 1 млрд. лет | 30 К |
Современная эпоха | Эра доминирования энергии вакуума – темной энергии. Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается | 13,8–14 млрд. лет | 2,725 К |
Солнечная система
Солнечная система – это спаянная силами взаимного притяжения система небесных тел, которую образуют 8 больших планет с их спутниками (уже известно более 60), несколько тысяч малых планет (или астероидов), кометы и метеорные тела.
Солнечное тяготение управляет движением всех остальных тел. Только спутники обращаются вокруг своих планет, притяжение которых из-за близости оказывается сильнее солнечного.
Возраст Солнечной системы – 4,6 млрд лет. Она образовалась из вращавшегося газопылевого облака, сжатие которого породило центральное сгущение, которое потом превратилось в Солнце.
Наша солнечная система находится в рукаве Ориона галактики Млечный Путь. С большой вероятностью существуют миллиарды других солнечных систем в нашей Галактике Млечный Путь. И существуют миллиарды галактик во Вселенной.
Мы измеряем расстояние в нашей Солнечной системе в астрономических единицах (а.е.). Одна а.е. равна расстоянию между Солнцем и Землей, которая составляет 149 597 870 км (93 млн миль).
Планеты подразделяются на 2 группы: планеты земной группы и планеты юпитерианской, или планеты-гиганты.
Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс – формировались ближе к Солнцу и имеют большую плотность, состоят преимущественно из соединений кремния, железа.
Планеты юпитерианской группы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – газовые гиганты, которые формировались в критически холодных температурах. Состоят преимущественно из водорода и гелия. Атмосферы этих планет, постепенно уплотняясь, плавно переходят в жидкую мантию.
Плутон не подпадает под научное определение термина «планета», так как по размерам и свойствам он близок к ледяным спутникам планет-гигантов.
Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (прямом). Орбиты планет по форме близки к круговым, а плоскости орбит – к основной плоскости Солнечной системы, называемой «неизменной плоскостью Лапласа».
Геологическая картина мира
Геологическая картина мира – образ мира, сложившийся как результат научного знания о земной коре и более глубоких сферах Земли; о составе, строении, движениях и истории развития земной коры и размещении в ней полезных ископаемых.
В геологических исследованиях можно выделить три основных направления:
1. Описательная геология – описание минералов, горных пород и их типов; изучение состава, формы, размеров, взаимоотношений, последовательности залегания и других вопросов, связанных с современным размещением и составом геологических тел (слоев горных пород, гранитных массивов и др.).
2. Динамическая геология – изучение геологических процессов и их эволюции. К числу этих процессов относятся как внешние по отношению к земной коре и более глубоким геосферам (разрушение горных пород, перенос и переотложение ветром, ледниками, наземными и подземными водами; накопление осадков на дне рек, озёр, морей, океанов и др.), так и внутренние (движения земной коры, землетрясения, извержения вулканов и сопутствующие им явления).
3. Историческая геология – восстановление картины геологического прошлого Земли (историко-геологическая реконструкция). Задачи этого направления сводятся к изучению распространения и последовательности образования геологических напластований и др. геологических тел, а также к установлению последовательности различных геологических процессов и событий, например процессов тектогенеза, метаморфизма, образования и разрушения залежей полезных ископаемых, трансгрессий и регрессий морей, смены эпох оледенений эпохами межледниковий и т.д.
Все три направления геологии неразрывно связаны друг с другом и исследование каждого геологического объекта, как и любой территории, ведётся со всех трёх точек зрения, хотя каждое направление является самостоятельным в смысле основных принципов и методов исследования.
Разработка теоретических вопросов геологии тесно связана с одной из её крупнейших практических задач – прогнозом поиска и разведки полезных ископаемых и созданием минерально-сырьевой базы мирового хозяйства.
Общая характеристика Земли
Земля – третья от Солнца планета. Пятая по размеру среди всех планет Солнечной системы. Она является также крупнейшей по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы.
Характеристики Земли:
1. По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 километров, полярный – 6356,777 км, экваториальный – 6378,160 км.
3. Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167).
4. Среднее расстояние от Солнца 149,6 миллионов километров.
5. Период одного обращения по орбите составляет 365,24 солнечных суток.
6. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10-5 рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 часа 56 минут 4,1 секунды.
7. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе – около 465 м/с.
8. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33′ 22». Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обусловливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение – смену дня и ночи.
Рис. 1.Внутреннее строение Земли
Химическая картина мира
Химическая картина мира формируется на основе четырех концептуальных систем химического знания: учения о составе вещества, структурной химии, учения о химических процессах, эволюционной химии.
Ее содержанием является
· Концептуальные знания о строении материального мира со стороны его химического содержания – учение о химической организации объектов живой и неживой природы.
· Концептуальные знания о развитии материального мира в плане его химической эволюции.
· Концептуальные знания о происхождении основных видов и форм вещества, о его химической структуре.
· Концептуальные знания о закономерностях природных процессов как процессов химического движения.
· Концептуальные знания теоретических основ химии: строение атома, учение о химической связи, катализе, реакционной способности веществ и другие направления в химии.
Развитие химии – это процесс становления концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе предыдущей и включала ее в себя в преобразованном виде.
Таблица 2. Концептуальные системы химических знаний
1. Учение о составе (1660-е гг.) | 2. Структурная химия (1800-е гг.) | 3. Учение о химических процессах (1950-е гг.) | 4. Эволюционная химия (1970-е гг.) |
Данный уровень связан с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их химическими элементами. В период с середины XVII в. до второй половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию, представляя собой сегодня часть химии | Предполагает исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов вещества. К этому периоду стало очевидно, что свойства веществ, их качественное разнообразие обуславливаются не только составом, но и структурой молекул. Этот уровень как более высокий включает в себя первый | Связан с исследованием внутренних механизмов и условий протекания химических процессов (скорость протекания процессов, температура, давление и т.п.). Химия становится наукой не только о веществах, сколько о процессах и механизмах изменения вещества | Представляет собой развитие предыдущего уровня. Он предполагает более глубокое изучение природы и условий протекания химических процессов (применение катализаторов и т.п.). На этом уровне складывается учение о самоорганизации химических процессов |
Развитие химии как науки
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Как устроена Вселенная. Часть I.
Невозможно представить, насколько ниже в
своем развитии оказалось бы человечество,
если бы оно никогда не видело звездного неба.
Анри Пуанкаре.
Нестационарная Вселенная Фридмана.
Идея о том, что рождение Вселенной началось с взрыва, была высказана российским ученым Александром Фридманом. В 1922 году журнал «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью «О кривизне пространства», автором которой оказался петербургский математик Фридман- имя это мало что говорило физикам-теоретикам Запада.
Хотя Александр Александрович Фридман к началу 20-х годов вовсе не был безвестным начинающим ученым. Просто он ранее никогда не занимался теоретической физикой, поскольку являлся крупным специалистом по теоретической метеорологии, динамике атмосферы и весьма известным математиком.
Он отличался невероятной дотошностью, умением глубоко проникать в суть изучаемого предмета, влезать в его тонкости. Не случайно, когда Фридман заинтересовался теорией относительности, его друзья заявили: «Теперь мы будем, наконец, знать теорию относительности».
Несмотря на неизвестность автора в кругу физиков-теоретиков, статья сразу же обратила на себя внимание. И не удивительно. В скромном по объему сообщении утверждалось, что кривизна нашего пространства должна изменяться, и стационарная Вселенная, которую отстаивал Эйнштейн, невозможна
Давайте вспомним. Вселенная Ньютона была бесконечной и населенной бесконечным количеством звезд. Такой подход Ньютона понятен; если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения стянула бы их воедино в гигантский звездный клубок.
В модели Вселенной Ньютона есть два парадокса, необъяснимых с точки зрения его теории. Судите сами: если число звезд бесконечно, то они должны создавать яркую и равномерную освещенность неба. А этого на самом деле нет.
Кроме того, в бесконечной Вселенной само тяготение должно возрастать бесконечно, и это должно вызвать огромные скорости движения звезд. А на опыте ничего подобного не наблюдалось.
Ньютон обнаружил эти несоответствия в своей модели, но решил эту проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности [1].
Пытаясь понять, что представляет собой Вселенная, Эйнштейн столкнулся с теми же трудностями, которые рождает бесконечность. В своей работе «Вопросы космологии и общая теория относительности» он пишет: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности… Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [2].
Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность.
Далее Эйнштейн предположил, что средняя плотность материи во Вселенной постоянна и настолько велика, что обеспечивает положительную кривизну. Надо сказать, что только при положительной кривизне пространство замкнуто и конечно.
Исходя из факта малых звездных скоростей, Эйнштейн предположил, что Вселенная должна быть стационарной, что ее структура и кривизна не должны меняться со временем.
Однако из его теории вытекала новая проблема: под действием гравитационных сил замкнутая Вселенная должна сжиматься. Получалось, что, избавляясь от неприятностей, связанных с бесконечностью Вселенной, Эйнштейн наткнулся на неприятности, вызванные именно конечностью, замкнутостью нашего мира.
Чтобы выйти из трудного положения, и сохранить стационарность Вселенной, Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравнения поля тяготения так называемый космологический член. Иными словами, он ввел новую «антигравитационную силу», которая удерживает звезды на расстоянии друг от друга и препятствует стягиванию Вселенной. Поддерживает стационарность Вселенной.
«Не от хорошей жизни» ввел он эту постоянную. «Для того, чтобы придти к этому свободному от противоречий представлению, мы должны были все же ввести новое расширение уравнений поля тяготения, не оправдываемое нашими действительными знаниями о тяготении» [2].
Ему была необходимо стационарность Вселенной. Поэтому он утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.
Вселенная.
С большим трудом, преодолевая огромные препятствия, Эйнштейн, наконец, построил модель мира, которая достаточно хорошо отражала мир реальный. Во всяком случае, в известных тогда науке границах.
И вот теперь какой-то Фридман заявляет, что Вселенная нестационарна.
А что, собственно, сделал Фридман?
Оказывается, он нашел общее решение системы уравнений тяготения, и пришел к выводу: Вселенная нестационарна, ее кривизна меняется. Решение Эйнштейна является лишь частным случаем.
Решение Фридмана открывало две возможности: монотонное в одном направлении, например, непрерывное расширения, или периодическое возрастание и уменьшение кривизны. Во втором случае Вселенная, словно сердце, должна была то расширяться, то сжиматься.
Фридман устоял перед силой авторитета. Он заново произвел все вычисления, причем решил систему уравнений без всяких упрощений и дополнительных космологических членов, и попросил своего товарища, физика Краткова, ехавшего в Берлин, передать их Эйнштейну.
Эйнштейн не был бы Эйнштейном, не появись этого публичного признания своей неправоты.
Но вернемся к нестационарной Вселенной Фридмана. В своих исследованиях Фридман сделал исходное предположение: Вселенная одинакова во всех направлениях и остается таковой, откуда бы мы ее ни рассматривали. Долгое время считалось, что предположение об одинаковости Вселенной является грубым приближением к реальной Вселенной. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, и если его все больше надувать, расстояние между точками увеличивается. При этом ни одну из точек нельзя назвать центром расширения.
Словом, Фридман в 1922 году доказал, что Вселенная не должна быть статической. Это произошло за несколько лет до открытия Хаббла.
В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не является единственной. Существует много галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Если бы наблюдатель увидел нашу Галактику извне, то он обнаружил бы, что она имеет вид спирали и медленно вращается. Звезды в ее спиральных рукавах делают примерно один оборот вокруг ее центра каждые несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.
Продолжив свои исследования, в 1929 году Хаббл, фотографируя спектры далеких галактик, получил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это открытие Хаббла явилось триумфом Фридмана, до которого Фридман не дожил, скончавшись от холеры в 1925 году в возрасте 36 лет.
Сегодня известно, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.
Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальные переворотов двадцатого века.
В соответствии с теорией Фридмана, которая дает удивительно точное описание нашей Вселенной, пространство-время, наполненное чрезвычайно плотной материей, появилось в результате чудовищного взрыва из точки и начало неудержимо расширяться.
1. Тихоплав В.Ю., Тихоплав Т.С. «Научно-эзотерические основы Мироздания». лекция № 11
2.Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т.I-IV.: Наука, 1966.
3. Ливанова А.Три судьбы постижения мира М.: Знание, 1969.
4.Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2005.
Что такое нестационарная вселенная
История астрономии. Нестационарная Вселенная. Теория горячей Вселенной
|