Концепции современного естествознания часть II человек и вселенная
|
Скачать 1.95 Mb.
|
|
1.4. Сценарии развития Вселенной Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется – зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того, чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной. В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемая «темная» материя. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек (1 парсек = 30,8 1012 км). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако, если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Вот для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность в, которая составляет величину 310-31 г/см3. Эквивалентная реликтовому излучению плотность р 510-34 г/см3, что много меньше в и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной. Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, «видимого» вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти «скрытые» массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этой «темной» материей плотность т, которая, по расчетам, должна быть примерно в ~ 30 раз больше, чем в. Как будет видно из дальнейшего, именно «темная» материя является, в конечном счете, «ответственной» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной1. Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плотность вещества, начиная с которой «пульсирующий» сценарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла. Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу m, которая находится на расстоянии L от «наблюдателя» (рис. 1.2). Энергия Е этой галактики складывается из кинетической энергии  и потенциальной энергии  , которая связана с гравитационным взаимодействием галактики m с веществом массы M, находящимся внутри шара радиуса L (можно показать, что вещество, находящееся вне шара, не вносит вклада в потенциальную энергию). Выразив массу M через плотность ,  , и учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики: (1.7)Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности энергия Е может быть либо положительной (Е 0), либо отрицательной (Е 0). В первом случае рассматриваемая галактика обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационное притяжение массы М и удалиться на бесконечность. Это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель «открытой» Вселенной).  Рис. 1.2. К расчету критической плотности вещества Вселенной Во втором случае (Е <� 0) расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель «замкнутой» Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е = 0, поэтому получаем  (1.8) Рис. 1.3. Расширение и сжатие Вселенной Подставив в (1.8) известные значения Н = 15 ((км/с)/106 световых лет) и G = 6,6710-11 м3/кг с2, получаем значение критической плотности к 10-29 г/см3. Таким образом, если Вселенная состояла только из обычного “видимого” вещества с плотностью в 310-31 г/см3, то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как сказано выше, наличие «темной» материи с плотностью т в может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) (рис.1.3). Правда, в последнее время ученые все больше приходят к мысли, что плотность всей материи во Вселенной, включая и «темную» энергию, в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет. 1.5. Иерархичность структуры Вселенной Фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. 1.4 и 1.5). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют – микромир с характерными размерами меньше, чем 10-8 м (частицы, ядра, атомы, молекулы), – макромир (макромолекулы, кристаллы жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т. е. макротела), – мегамир (планеты, звезды, галактики). Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро ~ мега/макро. В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро- от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием (квант действия) на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя – это микрообъект. Кварки «являются» составной частью протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следуют обычные макротела, планеты и их системы, звездные скопления галактик и метагалактик, т. е. можно представить переход от микро-, макро- и мега- как в размерах, так и моделях физических процессов.
Фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т. е. определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант, имеет глобальное мировоззренческое значение. Антропный принцип требует, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρср была близка к критической ρкр, так как при ρср <<� ρкр следует, что время существования нашего мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла возникнуть. Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ρкр и ρср справедливо, поскольку часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ρкр ≈ 10-29 г/см3, ρср ≈ 10-30 г/см3, откуда следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующие выводы: из термодинамических соображений следует, что Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят необратимые и неравновесные процессы. Во всяком случае, ρср и ρкр близки по своим значениям, и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R не должен быть больше критического Rкр = 2G m/c2, поскольку в нашем миропонимании и признании ОТО скорость разбегания Галактик не должна превышать скорость света (ν <� с). Показано, что при ρкр ≈ ρср пространство может считаться псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще не удивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом (1880–1933): при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу трехмерности пространства и правильности антропного принципа. 2. Образование и эволюция звезд 2.1. Протон-протонный цикл Звезды – гигантские светящиеся шарообразные плазменные материальные космические объекты, равновесие которых обеспечивается балансом сил тяготения, давления и излучения. Звезды являются самыми распространенными объектами Вселенной, в них сосредоточено до 97 % видимого вещества. Именно в звездах находится тот «плавильный котел», в котором создаются химические элементы. Первые звезды начали образовываться после того, как произошла рекомбинация ядер водорода и гелия с электронами и вещество «отделилось» от излучения. Поэтому исходным материалом, из которого рождались первые звезды, была смесь газов водорода и гелия в соотношении 70 % : 30 %. В процессе эволюции звезд, о чем речь пойдет ниже, в их недрах синтезировались все более тяжелые химические элементы, а при взрывах звезд эти элементы рассеивались в космическом пространстве. Так образовались гигантские газо-пылевые облака, заполняющие межзвездную среду и состоящие из различных газов, в первую очередь, конечно, из водорода и гелия, а также из атомов других элементов и твердых микроскопических частиц силикатов, графитов и т. п. Такие облака могут находиться в равновесии, когда гравитационные силы, стремящиеся сжать вещество этих облаков, в точности уравновешиваются давлением газо-пылевой смеси. Однако при достаточно больших плотностях может начаться самопроизвольное сжатие (гравитационная конденсация) облаков, условием которого является отрицательный знак их полной энергии W. Эта энергия складывается из отрицательной гравитационной энергии  (2.1)положительной тепловой энергии:  (2.2)где М – масса облака, – молекулярная масса вещества, Т – температура, r – радиус, R – универсальная газовая постоянная, G – гравитационная постоянная. Приравняв абсолютные значения (2.1) и (2.2), получим критическое значение радиуса облака  , такое, что при r <� облако начнет сжиматься под действием собственной гравитации (2.3) (2.3)Легко убедиться, что «обычные» облака межзвездного газа с массой порядка массы нашего Солнца и радиусом порядка одного парсека не будут сжиматься собственной гравитацией, в то время как газо-пылевые комплексы с массами, превышающими массу Солнца в десятки тысяч раз, и радиусами порядка десятков парсек будут сжиматься (при Т ~ 50 К). Первоначально такое сжатие не приводит к увеличению температуры облака (изотермическое сжатие), так как на начальной, самой важной стадии сжатия имеет место достаточно эффективное охлаждение среды: высвобождающаяся энергия гравитации идет на возбуждение атомов водорода, которые затем излучают кванты инфракрасного диапазона, уходящие в космическое пространство. При увеличении плотности облака оно становится непрозрачным для излучения, и с этого момента начинается повышение температуры внутренних областей (адиабатическое сжатие). Это уже не облако, а протозвезда. В конце концов, температура в недрах протозвезды достигает порога термоядерных реакций синтеза. За счет этого температура звезды становится достаточно большой, чтобы соответствующее давление газа уравновесило силу гравитации, и сжатие на какое-то время прекратилось. С этого момента начинается «жизнь» звезды. Звезды – раскаленные газовые шары, которые «цементируются» силой всемирного тяготения. Если бы не было этой силы, газ рассеялся бы в космическом пространстве. Причем это рассеяние произошло бы достаточно быстро (несколько суток!). С другой стороны, если бы на газ, образующий звезду, действовала только сила гравитации, то звезда катастрофически сжалась бы за несколько минут! Таким образом, имеет место точнейшее равновесие между гравитацией и давлением (на самом деле – между гравитацией и электромагнитными силами, не позволяющими молекулам вещества «сливаться» друг с другом). Многие миллионы и миллиарды лет длится эта титаническая «борьба» между силами гравитации и давлением, в процессе которой в «топку» звезды поступают все новые и новые порции ядерного горючего. Понимание того, что в недрах звезд могут протекать реакции термоядерного синтеза, пришло не сразу. Более того, вплоть до 20-х годов XX века физики категорически отрицали такую возможность, считая, что звезды недостаточно горячи для того, чтобы протоны могли сливаться друг с другом, образуя ядра гелия. Действительно, чтобы подойти друг к другу на «ядерное» расстояние  где начинают действовать мощные ядерные силы притяжения между нуклонами, протоны должны преодолеть кулоновское отталкивание, а для этого им нужно иметь достаточно большую скорость. Чтобы наглядно представить себе эту ситуацию, воспользуемся аналогией с шариком, который стремится преодолеть горку и упасть в ямку (рис. 2.1). Горка качественно воспроизводит потенциальную энергию кулоновского отталкивания, а ямка – потенциальную энергию ядерных сил притяжения. Очевидно, что преодолеть горку шарик может только в том случае, если его скорость позволит ему подняться на вершину горки.Приравняем потенциальную энергию взаимодействия двух протонов  (2.4)где в (2.4) e = 1,6 10-19 Кл – заряд протона, 0 = 8,85 10-12 Ф/м – диэлектри- ческая постоянная, и среднюю кинетическую энергию их теплового дви- жения  (2.5)где Т – температура, k = 1,38 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.  Рис.2.1. Туннельный эффект Тогда легко получить значение пороговой температуры термоядерного синтеза  (2.6)В то же время было известно, что температура в центральных областях Солнца и других типичных звезд на начальной стадии эволюции составляет всего несколько десятков миллионов градусов, т. е. в сотни раз меньше. Кроме того, совершенно фантастически выглядело одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов, из которых образуется ядро гелия 4He2. Загадка об источнике энергии звезд решена в 1929 году Р. Аткинсом и Ф. Хоутермансом, которые воспользовались идеей Г. Гамова о туннелировании микрочастиц через потенциальный барьер. Этот специфический квантовый эффект заключается в том, что преодолеть потенциальный  барьер (горку на рисунке 2.1) микрочастица может, не обязательно имея достаточно большую скорость, т. е. не обязательно забираясь на самую вершину горки. Обладая волновыми свойствами, микрочастица может как бы просочиться через барьер с вероятностью, которая тем больше, чем тоньше и ниже этот барьер (горка).Таким образом, туннельный эффект является той причиной, которая обусловливает слияние протонов в ядра гелия при температурах, значительно меньших классического порога термоядерных реакций. Однако вопрос о том, каким образом происходит эта реакция, решен только спустя почти десять лет, когда в 1938 году Г. Бете и другие ученые открыли циклы термоядерных превращений, являющихся источниками энергии звезд. Насколько сложны эти циклы, можно представить, рассмотрев самый простой из них – так называемый протон-протонный цикл (рис. 2.2). Цикл начинается с таких столкновений между парами протонов (рис. 2.2), в результате которых образуется ядро тяжелого водорода – дейтерия 2D1. При этом вылетает позитрон и нейтрино, а температуры достигают нескольких десятков миллионов градусов, подобные столкновения случаются очень редко. Не  Рис. 2.2. Протон-протонный цикл все протоны имеют достаточно большую скорость даже для того, чтобы «просочиться» через потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием. Необходимо, чтобы за время столкновения, а оно составляет всего ~ 10-21 с, один из двух протонов превратился в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Если все учесть, то окажется, что два протона имеют шанс превратиться в дейтерий один раз за несколько десятков миллиардов лет (!). Но так как самих протонов в недрах звезд тоже достаточно много, то такие реакции в нужном количестве будут наблюдаться. О  Рис. 2.3. График эволюции типичной звезды бразовавшееся ядро дейтерия «жадно», всего лишь за несколько секунд, хватает какой-либо близко пролетающий протон (рис. 2.2) и превращается в ядро изотопа гелия 3Не2. Эти ядра гелия тоже достаточно редко (один раз в миллион лет) соединяются с себе подобными, образуя обычное ядро гелия 4Не2 и два протона. И опять следует иметь в виду, что самих ядер 3Не2 достаточно много, так что в каждом объеме реакция идет весьма бурно, выделяя огромную энергию. Реакции протон-протонного цикла с образованием гелия протекают относительно медленно и спокойно, при этом температура в центре звезды плавно возрастает. У нашего Солнца этот период продолжается уже 4,6 млрд. лет, а запасов водорода у него должно хватить еще на 10 млрд. лет (рис. 2.3). |
Похожие:
 |
Карпенков С. Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр и доп. – 639 с |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Список литературы из фондов научной библиотеки рггу по состоянию на март 2008 Гуго (1877-1946). Доисторический человек : с 39 табл., 4 к и 404 рис в тексте / Обермайер Гуго. Спб. [Тип. Ао брокгауз-Ефрон], [1913].... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
Тематическое планирование уроков химии 8класс Химия как часть естествознания. Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях |
|
Григорий Чхартишвили Предисловие Часть первая. Человек и самоубийство... Эдипов комплекс в истории суицидентов X. и Г. Опыт патологоанатомического психоанализа |
|
Кокин А. В. Концепции соврем естествознания: уч пособие / А. В. Кокин Дубнищева Т. Я., А. Ю. Современное естествознание: уч пособие / Т. Я. Дубнищева, А. Ю. Пигарев. – 2–е изд. – М.: Ивц «Маркетинг»»,... |
|
Программы В программе: Формы и приемы обучения современного урока по физической культуре. Календарно-тематическое планирование современного... |
|
Техническое задание 643. 05246295. 00059-01 тз 01 Концепции развития телемедицинских технологий в Российской Федерации, утверждённой приказом Минздрава РФ и рамн от 27. 08. 2001 г.... |
|
Общие методологические основы организации образования : вопросы системного... Учет материалов концепции развития техносферы дополнительного образования детей на среднесрочную перспективу, рекомендаций межрегиональных... |
|
Задание Определение маркетинговой концепции организаций ... |
|
Неповторимый Чеснок (часть 1) Ваша маленькая команда добавлена в командный режим выживания (обычный), случайно сгенерированное число участников: 6 человек] |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
В. М. Жуков Глава Механизмы в популяционной генетике Вселенная – это цепь или лестница, спускающаяся от подножья божественного трона на небе до ничтожнейшего творения на земле |
|
Которая в последнее время становится очень актуальной в нашем обществе.... Сегодня компьютеры стремительно внедрились в жизнь современного человека. Уже стало привычным видеть, что человек взаимодействует... |
|
Вводная часть Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, многие из которых... |