ПЛАН
Походження Всесвіту
Модель розширюється Всесвіту
Еволюція і будова галактик
Астрономія і космонавтика
Походження Всесвіту
В усі часи люди хотіли знати, звідки і яким чином відбувсясвіт. Коли в культурі панували міфологічні уявлення,походження світу пояснювалося, як, скажімо, в «Ведах» розпадомпершолюдини Пуруші. Те, що це була загальна міфологічна схема,підтверджується і російськими апокрифами, наприклад, «Голубиної книжкою». Перемогахристиянства затвердила уявлення про створення Богом світу з нічого.
З появою науки в її сучасному розумінні на зміну міфологічнимі релігійним приходять наукові уявлення про походження Всесвіту.
Слід розділяти три близьких терміну: буття, універсум і Всесвіт. Першийє філософським і позначає істоту, що існує. Другийвживається й у філософії, і в науці, не маючи специфічної філософськоїнавантаження (у плані протиставлення буття і свідомості), і позначає всіяк таке.
Значення терміну Всесвіт вужче і набуло специфічнонаукове звучання. Всесвіт - місце вселення людини, доступнеемпіричному спостереженню. Поступове звуження наукового значення терміна
Всесвіт цілком зрозуміло, тому що природознавство, на відміну від філософії,має справу тільки з тим, що емпірично платника сучасними науковимиметодами.
Всесвіт у цілому вивчає наука, яка називається космологією, тобто наукоюпро космос. Слово це теж не випадково. Хоча зараз космосом називають всещо знаходиться за межами атмосфери Землі, не так було у Стародавній Греції.
Космос тоді приймався як «порядок», «гармонія», на противагу
«Хаосу» - «безладдя». Таким чином, космологія, в основі своїй, як іличить науці, відкриває впорядкованість нашого світу і націлена на пошукзаконів його функціонування. Відкриття цих законів і являє собоюмета вивчення Всесвіту як єдиного впорядкованого цілого.
Це вивчення грунтується на декількох передумовах. По-перше,формулируемого фізикою універсальні закони функціонування світу вважаютьсящо діють у всьому Всесвіті. По-друге, вироблені астрономамиспостереження теж визнаються що розповсюджуються на весь Всесвіт. І, по -третє, істинними визнаються тільки ті висновки, які не суперечатьможливість існування самого спостерігача, тобто людини (такзваний антропний принцип).
Висновки космології називаються моделями походження і розвитку
Всесвіту. Чому моделями? Справа в тому, що одним з основних принципівсучасного природознавства є уявлення про можливість проведенняв будь-який час керованого і відтвореного експерименту над досліджуванимоб'єктом. Тільки якщо можна провести нескінченну, в принципі, кількістьекспериментів і всі вони приводять до одного результату, на основі цихекспериментів роблять висновок про наявність закону, якому підкоряєтьсяфункціонування даного об'єкту. Лише в цьому випадку результат вважаєтьсяцілком достовірним з наукової точки зору.
До Всесвіту це методологічне правило залишається непридатна. Наукаформулює універсальні закони, а Всесвіт є унікальною. Це протиріччя,яке вимагає вважати всі висновки про походження і розвиток Всесвітуне законами, а лише моделями, тобто можливими варіантами пояснення.
Строго кажучи, всі закони і наукові теорії є моделями, оскільки вониможуть бути замінені в процесі розвитку науки іншими концепціями, алемоделі Всесвіту як би більшою мірою моделі, ніж багато інші науковізатвердження.
Модель розширюється Всесвіту
Найбільш загальноприйнятою в космології є модель однорідноїізотропної нестаціонарної гарячої розширюється Всесвіту, побудована наоснові загальної теорії відносності та релятивістської теорії тяжіння,створеної Альбертом Ейнштейном в 1916 році. В основі цієї моделі лежать дваприпущення: 1) властивості Всесвіту однакові у всіх її точках
(однорідність) і напрямки (ізотропності); 2) найкращим відомимописом гравітаційного поля є рівняння Ейнштейна. З цьогослід так звана кривизна простору та зв'язок кривизни з щільністюмаси (енергії). Космологія, заснована на цих постулатах, --релятивістська.
Важливим пунктом даної моделі є її нестаціонарність. Цевизначається двома постулатами теорії відносності: 1) принципомвідносності, який свідчить, що в усіх інерційних системах всі законизберігаються незалежно від того, з якими швидкостями, рівномірно іпрямолінійно рухаються ці системи один щодо одного; 2)експериментально підтвердженим сталістю швидкості світла.
З прийняття теорії відносності випливало в якості слідства
(перший це помітив петроградський фізик і математик Олександр Олександрович
Фрідман у 1922 році), що викривлене простір не може бутистаціонарним: воно повинно або розширюватися, або стискуватися. На цей висновок небуло звернуто уваги аж до відкриття американським астрономом Едвіном
Хабблом в 1929 році так званого «червоного зсуву».
Вигляд - це зниження частот електромагнітного випромінювання: ввидимої частини спектру лінії зміщуються до його червоному кінця. Виявленийраніше ефект Доплера було зазначено, що при видаленні від нас якого-небудь джерелаколивань, сприймається нами частота коливань зменшується, а довжина хвилівідповідно збільшується. При випромінюванні відбувається «почервоніння», тобтолінії спектра зсуваються у бік більш довгих червоних хвиль.
Так от, для всіх далеких джерел світла червоне зміщення булозафіксовано, причому, чим далі було джерело, тим більшоюступеня. Вигляд виявилося пропорційно відстані доджерела, що і підтверджувало гіпотезу про видалення їх, тобто про розширення
Метагалактика - видимої частини Всесвіту.
Вигляд надійно підтверджує теоретичний висновок пронестаціонарності області нашого Всесвіту з лінійними розмірами порядкудекількох мільярдів парсек протягом щонайменше кількохмільярдів років. У той же час кривизна простору не може бути виміряна,залишаючись теоретичної гіпотезою.
Складовою частиною моделі розширюється Всесвіту є представленнящодо Великого Вибуху, що сталося, десь приблизно 12 -18 млрд. років тому.
«Спочатку був вибух. Не такий вибух, який знайомий нам на Землі і якийпочинається з певного центра і потім поширюється, захоплюючи всебільше і більше простору, а вибух, який стався одночасноскрізь, заповнивши від самого початку весь простір, причому кожна часткаматерії кинулася геть від будь-якої іншої частинки »(Вейнберг С. Перші трихвилини. Сучасний погляд на походження Вселенной.-М., 1981.-С. 30).
Початкове стан Всесвіту (так звана сингулярна точка):безкінечна щільність маси, безкінечна кривизна простору і вибуховий,сповільнення з часом розширення при високій температурі, при якіймогла існувати тільки суміш елементарних частинок (включаючи фотони інейтрино). Горячесть початкового стану підтверджена відкриттям у 1965році реліктового випромінювання фотонів і нейтрино, що утворилися на раннійстадії розширення Всесвіту.
Виникає цікаве питання: з чого ж утворилася Всесвіт? Чимбуло те, з чого вона виникла. У Біблії стверджується, що Бог створив все знічого. Знаючи, що в класичній науці сформульовані закони збереженняматерії та енергії, релігійні філософи сперечалися про те, що значитьбіблійне «нічого», і деякі на догоду науці вважали, що під нічиммається на увазі початковий матеріал хаос, упорядкований Богом.
Як це не дивно, сучасна наука допускає (саме допускає,але не стверджує), що все могло скластися з нічого. «Нічого» в науковійтермінології називається вакуумом. Вакуум, який фізика XIX століття вважалапорожнечею, за сучасними науковими уявленнями є своєрідноюформою матерії, здатної за певних умов «народжувати» речовічастинки.
Сучасна квантова механіка допускає (це не суперечить теорії),що вакуум може приходити в «збуджений стан», внаслідок чого вньому може утворитися поле, а з нього (що підтверджується сучаснимифізичними експериментами) - речовина.
Народження Всесвіту «з нічого» означає з сучасної наукової точкизору її мимовільне виникнення з вакууму, коли у відсутностічастинок відбувається випадкова флуктуація. Якщо число фотонів дорівнює нулю, тонапруженість поля не має певного значення (за «принципомневизначеності »Гейзенберга): поле постійно відчуває флуктуації, хочасередня (що спостерігається) значення напруженості дорівнює нулю.
флуктуація є поява віртуальних частинок, якібезупинно народжуються і відразу ж знищуються, але так само беруть участь увзаємодіях, як і реальні частки. Завдяки флуктуацій, вакуумнабуває особливі властивості, які проявляються в спостережуваних ефекти.
Отже, Всесвіт міг утворитися з «нічого», тобто з
«Порушеної вакууму». Така гіпотеза, звичайно, не є вирішальнимпідтвердженням існування Бога. Адже все це могло статися вВідповідно до законів фізики природним шляхом без втручання ззовнібудь-яких ідеальних сутностей. І в цьому випадку наукові гіпотези непідтверджують і не спростовують релігійні догми, які лежать по тойсторону емпірично підтверджується і спростовується природознавства.
На цьому дивне в сучасній фізиці не кінчається. Відповідаючи напрохання журналіста викласти суть теорії відносності в одній фразі,
Ейнштейн сказав: «Раніше вважали, що якби з Всесвіту зникла всяматерія, то простір і час збереглися б, теорія відносностістверджує, що разом з матерією зникли б також простір і час ».
Перенісши цей висновок на модель розширюється Всесвіту, можна зробити висновок, щодо утворення Всесвіту не було ні простору, ні часу.
Відзначимо, що теорія відносності відповідає двом різновидівмоделі розширюється Всесвіту. У першому з них кривизна простору -часу негативна або в межі дорівнює нулю; в цьому варіанті всевідстані з часом необмежено зростають. У другій різновидимоделі кривизна позитивна, простір звичайно, і в цьому випадкурозширення з часом замінюється стиском. В обох варіантах теоріявідносності узгоджується з нинішнім емпірично підтвердженимрозширенням Всесвіту.
Дозвільні розум неминуче задається питаннями: що ж було тоді, коли небуло нічого, і що знаходиться за межами розширення. Перше питання,очевидно, суперечливий сам по собі, другий виходить за рамки конкретноїнауки. Астроном може сказати, що як вчений він не має права відповідати натакі питання. Але оскільки вони все ж таки виникають, формулюються і можливіобгрунтування відповідей, які є не стільки науковими, скількинатурфілософські.
Так, проводиться відмінність між термінами «нескінченний» і
«Безмежний». Прикладом нескінченності, яка не безмежна, служитьповерхню Землі: ми можемо йти по ній нескінченно довго, але тим не меншевона обмежена зверху атмосферою і земною корою знизу. Всесвіт такожможе бути нескінченною, але обмеженою. З іншого боку, відома точказору, відповідно до якої в матеріальному світі не може бути нічогонескінченного, тому що він розвивається у вигляді кінцевих систем з петлямизворотного зв'язку, якими ці системи створюються в процесі перетвореннясередовища.
Але залишимо ці міркування області натурфілософії, тому що вприродознавстві в кінцевому рахунку критерієм істини є не абстрактніміркування, а емпірична перевірка гіпотез.
Що ж було після Великого Вибуху? Утворився згусток плазми --стану, в якому знаходяться елементарні частинки - щось середнє міжтвердим і рідким станом, який і почав розширюватися все більше ібільше під дією вибухової хвилі. Через 0,01 сек після початку Великого
Вибуху у Всесвіті з'явилася суміш легких ядер (2/3 водню і 1/3 гелію).
Як утворилися всі інші хімічні елементи?
Еволюція і будова галактик
Поет запитував: «Послухайте! Адже, якщо зірки запалюють - значить - цекому-нибудь нужно? ». Ми знаємо, що зірки потрібні, щоб світити, і наше
Сонце дає необхідну для нашого існування енергію. А навіщо потрібнігалактики? Виявляється і галактики потрібні, і Сонце не тільки забезпечуєнас енергією. Астрономічні спостереження показують, що з ядер галактиквідбувається безперервне витікання водню. Таким чином, ядра галактикє фабриками з виробництва основного будівельного матеріалу
Всесвіту - водню.
Водень, атом якого складається з одного протона в ядрі і одногоелектрона на його орбіті, є найпростішим «цеглинкою», з якого внадрах зірок утворюються в процесі атомних реакцій більш складні атоми.
Причому виявляється, що зірки зовсім не випадково мають різнувеличину. Чим більше маса зірки, тим більш складні атоми синтезуються вїї надрах.
Наше Сонце як звичайна зірка виробляє тільки гелій з водню
(який дають ядра галактик), дуже масивні зірки виробляють вуглець --головний «цеглинка» живого речовини. Ось для чого потрібні галактики і зірки.
А для чого потрібна Земля? Вона робить всі необхідні речовини дляіснування життя людини. А для чого існує людина? На це питанняне може відповісти наука, але вона може змусити нас ще раз замислитися надним.
Якщо «запалювання» зірок комусь потрібно, то може і людина кому-топотрібен? Наукові дані допомагають нам сформулювати уявлення про нашпризначення, про сенс нашого життя. Звертатися при відповіді на ці питаннядо еволюції Всесвіту - це значить мислити космічно. Природознавство вчитьмислити космічно, в той же час не відриваючись від реальності нашого буття.
Питання про утворення та будові галактик - наступний важливий питанняпоходження Всесвіту. Його вивчає не тільки космологія як наука про
Всесвіту - єдине ціле, але також і космогонія (грец. «гонейа» означаєнародження) - галузь науки, в якій вивчається походження і розвитоккосмічних тіл і їх систем (розрізняють планетну, зоряну, галактичнукосмогонію).
Галактика являє собою гігантські скупчення зірок і їх систем,що мають свій центр (ядро) і різну, не тільки сферичну, але частоспіралевидну, еліптичну, сплюснений або взагалі неправильну форму.
Галактик - мільярди, і в кожній з них нараховуються мільярди зірок.
Наша галактика називається Чумацький Шлях і складається з 150 млрд. зірок.
Вона складається з ядра і кількох спіральних гілок. Її розміри -100 тис.світлових років. Більша частина зірок нашої галактики зосереджена вгігантському «диск» товщиною близько 1500 світлових років. На відстані близько 30тис. світлових років від центру галактики розташоване Сонце.
Найближча до нашої галактика (до якої світловий промінь біжить 2 млн. років)
- «Туманність Андромеди». Вона названа так тому, що саме в сузір'ї
Андромеди в 1917 році був відкритий перший позагалактичне об'єкт. Йогоприналежність до іншої галактиці була доведена в 1923 році Е. Хабблом,що знайшли шляхом спектрального аналізу в цьому об'єкті зірки. Пізніше буливиявлені зірки і в інших туманностях.
А в 1963 році були відкриті квазари (квазізвездние радіоджерела) --найпотужніші джерела радіовипромінювання у Всесвіті зі світність в сотніразів більшою світності галактик і розмірами в десятки разів меншими їх. Булоприпущено, що квазари є ядрами нових галактик і сталобути процес утворення галактик продовжується і понині.
Астрономія і космонавтика
Зірки вивчає астрономія (від грец. «астрон» - зірка і «номос» --закон) - наука про будову і розвитку космічних тіл і їх систем. Цякласична наука переживає в XX столітті свою другу молодість у зв'язку збурхливим розвитком техніки спостережень - основного свого методу досліджень:телескопів-рефлекторів, приймачів випромінювання (антен) і т. п. В СРСР в 1974році вступив в дію в Ставропольському краї рефлектор з діаметром дзеркала
6 м., що збирає світла в мільйони разів більше, ніж людське око.
В астрономії досліджуються радіохвилі, світло, інфрачервоне,ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання та гамма-промені. Астрономія ділитьсяна небесну механіку, радіоастрономію, астрофізику?? інші дисципліни.
Особливого значення набуває в даний час астрофізика - частинаастрономії, що вивчає фізичні та хімічні явища, що відбуваються внебесних тілах, їх системах і в космічному просторі. На відміну відфізики, в основі якої лежить експеримент, астрофізика грунтуєтьсяголовним чином на спостереженнях. Але в багатьох випадках умови, в якихзнаходиться речовина у небесних тілах і системах відрізняється від доступнихсучасним лабораторіям (надвисокі і наднизькі щільності, високатемпература і т. д.). Завдяки цьому астрофізичні дослідження приводятьдо відкриття нових фізичних закономірностей.
Власне значення астрофізики визначається тим, що в данийчас основна увага в релятивістської космології переноситься на фізику
Всесвіту - стан речовини і фізичні процеси, що йдуть на різнихстадіях розширення Всесвіту, включаючи найбільш ранні стадії.
Один з основних методів астрофізики - спектральний аналіз. Якщопропустити промінь білого сонячного світла через вузьку щілину, а потім крізьскляну тригранну призму, то він розпадається на складові кольори, іна екрані з'явиться веселка кольорова смужка з поступовим переходом відчервоного до фіолетовому - безперервний спектр. Червоний кінець спектруутворений променями, найменш відхиляється при проходженні через призму,фіолетовий - найбільш відхиляє. Кожному хімічному елементувідповідають цілком певні спектральні лінії, що і дозволяєвикористовувати даний метод для вивчення речовин.
На жаль, короткохвильові випромінювання - ультрафіолетові,рентгенівські й гамма-промені - не проходять крізь атмосферу Землі, і тут надопомогу астрономам приходить наука, яка до недавнього часурозглядалася як перш за все технічна - космонавтика (від грец.
«НАУТІКА» - мистецтво кораблеводіння), що забезпечує освоєння космосу дляпотреб людства з використанням літальних апаратів.
Космонавтика вивчає проблеми: теорії космічних польотів - розрахункитраєкторій і т. д.; науково-технічні - конструювання космічних ракет,двигунів, бортових систем управління, пускових споруд, автоматичнихстанцій і пілотованих кораблів, наукових приладів, наземних системуправління польотами, служб траєкторних вимірювань, телеметрії, організація іпостачання орбітальних станцій та ін; медико-біологічні - створеннябортових систем життєзабезпечення, компенсація несприятливих явищ улюдському організмі, пов'язаних з перевантаженням, невагомістю, радіацією іін
Історія космонавтики починається з теоретичних розрахунків виходулюдини в неземне простір, які дав К. Е. Ціолковський у праці
«Дослідження світових просторів реактивними приладами» (1903 р.). Роботив області ракетної техніки початі в СРСР у 1921 році. Перші запуски ракетна рідкому паливі здійснені в США в 1926 році.
Основними віхами в історії космонавтики стали запуск першогоштучного супутника Землі 4 жовтня 1957, перший політ людини вкосмос 12 квітня 1961 року, місячна експедиція в 1969 році, створенняорбітальних пілотованих станцій на навколоземній орбіті, запуск космічногокорабля багаторазового використання.
Роботи велися паралельно в СРСР і США, але в останні роки намітилосяоб'єднання зусиль в галузі дослідження космічного простору. У 1995році здійснено спільний проект «Світ» - «Шаттл», у якому американськікораблі «Шаттл» використовувалися для доставки космонавтів на російськуорбітальну станцію «Мир».
Можливість вивчати на орбітальних станціях космічне випромінювання,яка затримується атмосферою Землі, сприяє суттєвомупрогресу в галузі астрофізики.
Список літератури
А. Ейнштейн, Інфельд Л. Еволюція фізики. М., 1965.
Гейзенберг В. Фізика і філософія. Частина і ціле. М., 1989.
Короткий мить торжества. М., 1989.
