Три основных и самых важных закона вселенной. Концепции современного естествознания. Создание химических элементов на Земле

Основные элементы структуры Вселенной: галактики, звёзды, планеты

Галактики (от греч. Молочный, млечный) - системы из миллиардов звёзд, обращающихся вокруг центра галактики и связанных взаимным тяготением и общим происхождением,

Планеты – тела, не испускающие энергию, со сложной внутренней структурой.

Самым распространенным небесным телом в наблюдаемой Вселенной являются звезды.

По современным представлениям звезда – это газоплазменный объект, в котором происходит термоядерный синтез при температурах свыше 10 млн град. К.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии.

Основные причины высокой светимости звезд

1. гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии (характерно для молодых звезд)
2. термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Атомы элементов легче железа образуются в результате термоядерных реакций внутри звезд. Тяжелее железа при взрыве сверхновых звезд.

Эволюция звезд - это изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем .

Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационная конденсация

Протозвезда - плотный фрагмент молекулярного облака, в котором еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций, т.е. превращения облака в звезду.

Конец эволюции звезды определяется ее массой.

Конечным этапом эволюции звезды средней и малой массы (меньше 3-4 масс Солнца) является белый карлик.

Эволюция звезд большей массы приводит к образованию нейтронных звезд или черных дыр.

В результате гравитационного коллапса происходит мощнейший взрыв звезды, сопровождающийся выделением колоссальной энергии в виде электромагнитного излучения и выбросом в окружающее пространство веществ, представляющих химические элементы всей таблицы Менделеева (первые наблюдения взрыва сверхновой были сделаны китайскими и японскими астрономами в 1054 году).

Звезды выступают как своеобразные кузницы атомов.

Согласно космологическим моделям, распространение химических элементов по Вселенной происходит в результате взрывов Сверхновых звезд.

Солнечная система – часть Вселенной.

Геоцентрическая система мира - существовавшее в древности (Аристотель и Птолемей) представление, согласно которому Земля неподвижно покоится в центре мира, а все небесные светила движутся вокруг неё.

В первой половине 16 в.- 17 учеными Н.Коперником, Г. Галилеем, Дж.Бруно была разработана гелиоцентрическая система мира - учение, согласно которому Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца и, кроме того, вращается вокруг своей оси.

Солнечная система - планетная система в составе Млечного пути, в которую входят: Солнце, восемь классических планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), несколько планет карликов (Плутон, Зена и пр.,) спутники планет, кометы, метеорные тела, космическая пыль.

Центральным телом Солнечной системы, в котором сосредоточена подавляющая часть всей её массы (около 99,9 %), является Солнце.

Согласно современным представлениям, Солнечная система сформировалась в результате сжатия газопылевого облака приблизительно 5 миллиардов лет назад.

Считается, что эволюция протопланетного диска происходила за 1 млн. лет. Шло слипание частичек в центральной части этого диска, которое в дальнейшем привело к образованию сгущений частиц, вначале небольших, потом – более крупных.

В 40-х годах 20 в. академик О.Ю.Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел. Эти тела называются планетезимали.

Эта концепция подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Однако существуют и другие модели.

Достаточно точные данные о возрасте Земли получают при анализе радиоактивных превращений элементов Земли и метеоритов

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

Строение Земли.

Земля - третья планета Солнечной системы.

Земля представляет собой твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками - гидросферой и атмосферой.

Земля не идеальный шар. Она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Форма Земли - сфероид или эллипсоид вращения. С большой точностью форму Земли удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках.

Средний радиус Земли - 6370 км.

Площадь поверхности Земли 510 млн. кв.км. Около 71 % поверхности Земли занимает Мировой океан (361 млн. км 2), 29 % занимает Суша (149 млн. км 2)

Различают внутренние (земная кора, мантия, ядро ) и внешние (гидросфера, атмосфера )

оболочки Земли. Недра Земли так же недоступны для непосредственного изучения, как галактики. Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин, составляющих ничтожную часть радиуса Земли (самая глубокая скважина около 12 км на Кольском полуострове).

Проблема строения Земли решается, в основном лишь косвенными методами.

Наиболее надежные сведения о внутренней структуре Земли нам дает сейсмография -регистрация сейсмических колебаний при землетрясениях.

Земная кора - внешняя твёрдая оболочка Земли.

Толщина ее неравномерна: на материках 30-40 км, под горами (Памир, Анды) - до 70 км, под океанами - 5-10 км.

Половина всей массы коры приходится на кислород (в связанном состоянии).

Геологические особенности земной коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется.

Мантия (в переводе с греческого «покрывало, плащ)

Под земной корой, ближе к центру Земли располагается слой толщиной почти 2900 км, называемый мантией. Мантия - наиболее мощная оболочка Земли.

Ученые предполагают, что мантия состоит в основном из соединений кремния.

Мантия существует в виде двух шаровых слоев - нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии - 2000 км, верхней - 900 км.

Литосфера - образована земной корой вместе с самой верхней твердой частью мантии, (толщина около 100 км).

Астеносфера - нижняя часть верхней мантии находится в расплавленном состоянии. Литосфера как бы «плавает» в ней. В астеносфере находятся очаги вулканов. Происходящие в мантии процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую деятельность.

Земное ядро. Под мантией находится земное ядро с радиусом примерно 3500 км. Ядро состоит из внешней оболочки в жидком состоянии (толщиной 2200 км) и внутреннего твердого субъядра (1250 км).

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма.

При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому, в результате высокого давления. Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе и температуре ~ 4000-5000 0 С.

Химический состав ядра - железо и никель.

Теория литосферных плит.

Влияние внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли в настоящее время объясняет теория литосферных плит.

Согласно этой теории вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами - на отдельные жесткие блоки, плавающие в пластичном слое верхней мантии (астеносфере).

Все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит. Самые крупные из плит – Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская. Число и положение плит менялось от эпохи к эпохе. Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах.

Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности (напр. Курило-Камчатская островная дуга).

Что является движущей силой «плавающих материков»? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации температуры и плотности, в результате чего происходит циркуляция вещества: горячий и менее плотный материал поднимается вверх, охлаждается и, с увеличением плотности, опускается в глубину. Достаточно малого перепада температур, чтобы пластичная мантия пришла в медленное движение и заставила перемещаться блоки литосферы.

Почти все эти движения плит сейчас подтверждены непосредственными измерениями, с использованием методов высокоточной астрономической и спутниковой геодезии. Сейчас измерены их скорости, которые составляют от нескольких мм до 10-18 см в год.

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила мировоззрение и представления об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

В целом размеры Земли являются постоянными, благодаря действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому.)

Гидросфера

Под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Это - Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды.

Функции гидросферы Земли:

• регулирует температуру планеты,
• обеспечивает кругооборот веществ,
• является составной частью биосферы.

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое.

По химическому составу атмосфера Земли представляет собой смесь газов, состоящую преимущественно из азота (78 % об.) и кислорода (21% об.).

В атмосфере Земли выделяют слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера - это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина - 10 (в полярных широтах) -18 км (в тропиках). С высотой падает давление и температура, опускаясь до - 55°С.

В тропосфере заключено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар.

Стратосфера - до 50 -55 км в высоту.

Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры. В стратосфере находится озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение.

Стратосфера характеризуется исключительной сухостью воздуха. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду.

Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой на высотах 55-85 км.

Термосфера (ионосфера) находится над мезосферой на высотах примерно 85-800 км от поверхности Земли. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Ионосфера состоит преимущественно из ионизированных частиц (плазмы), обладающих способностью отражать короткие радиоволны. В термосфере тормозятся и сгорают метеориты. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли, а также позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь.

Экзосфе́ра - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли с низкой концентрацией нейтральных атомов.

ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей - химию.

Химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении веществ, а также о механизмах этих превращений.

Явления, которые сопровождаются превращением одних веществ в другие, называются химическими.

Главной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами (прикладная наука).

Фундаментальная наука ищет способы управления свойствами вещества, создавая теоретические основы химического знания.

В развитии химии выделяют четыре основных этапа:

1. Учение о составе вещества (с XVII века).
2. Структурная химия (с XIX века).
3. Учение о химических процессах (с середины XX века).
4. Эволюционная химия (с 70 г.г. XX века).

При этом каждый новый этап возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде

Роберт Бойль в 1660 дал определение химического элемента: химический элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого.

К середине 19 в. ученые владели знаниями уже о 63 химических элементах. Сравнительный анализ показал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов.

Д.И. Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов. Это один из фундаментальных законов естествознания.

Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов ».

Физический смысл периодического закона Д.И. Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома и состоит в периодическом изменении свойств химических элементов в зависимости от заряда ядра .
Атом - наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства.

Диаметр атома равен нескольким ангстремам (А =10 -8 см или 10 -10 м)

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки .

Ядро атома состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов .

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В химических превращениях атом сохраняет заряд ядра, а, следовательно, свою индивидуальность. Атомы новых элементов в химических реакциях образовываться не могут.

Для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы количество нейтронов и протонов в атоме были одинаковыми. А вот количество нейтронов в ядре атома может изменяться.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и соответственно разную массу.

При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как известно, определяются зарядом ядер и не зависят от массы ядра.

Примеры изотопов : изотопы урана - 235 U и 238 U (радиоактивный - превращается в стабильный изотоп свинца 206 Pb.)

изотопы водорода - 1 H – протий (ядро состоит из одного протона)

2 D- дейтерий, (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона)

3 T - тритий, (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Хлор-35 и хлор-37 являются изотопами хлора

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только изотопами и атомами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями.

Химическое соединение - это вещество, состоящее из атомов одного или нескольких элементов, которые объединены в частицы - молекулы, комплексы, кристаллы или иные агрегаты.
Химическая связь – связь между атомами в молекуле или молекулярном соединении, возникающая в результате либо переноса электрона с одного атома на другой (ионная ), либо обобществления электронов парой (или группой) атомов (ковалентная ).

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул.

В 1861 г. выдающийся российский химик А.М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения органических соединений . Практическое значение этой теории состояло в том, что она дала начало развитию органического синтеза . Появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Для получения новых материалов знаний о составе и структуре соединений было явно недостаточно. Необходимо было учитывать и условия протекания химических реакций, что вывело химию на качественно новый уровень ее развития.

Наука об условиях, механизмах и скоростях протекания химических реакций называется химическая кинетика .

В 60-70-е гг. XX в. появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания. Это наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В ее основе представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Начало эволюционной химии было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Эволюционную химию заслуженно считают предбиологией.

В результате биохимической эволюции из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема.

Основу живых систем составляют шесть элементов - органогенов : (С, Н, О, N, Р, S), углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля этих элементов в организмах составляет около 97,4%.

За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология - наука о жизни и живой природе.

В структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук, что объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований - живой материи.

Основные задачи биологии - дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи.

Жизнь очень сложна, многообразна, многокомпонентна и многофункциональна. На сегодняшний день наука не имеет достаточно точного определения жизни.

Жизнь представляет собой высшую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой.

Фундаментальные отличия живого от неживого:

В вещественном плане : в состав живого обязательно входят биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

В структурном плане: живое отличается от неживого клеточным строением.

В функциональном плане: для живых тел характерно воспроизводство самих себя на основе генетического кода.

К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой (косной) природы относятся:

• обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (открытые системы);
• самовоспроизведение (размножение);
• сложное строение и системная организация;
• активная регуляция своего состава и функций (гомеостаз);
• поддержание собственной упорядоченности за счет энергии внешней среды;
• подвижность;
• раздражимость;
• приспособляемость;
• способность к росту и развитию;
• молекулярная хиральность (зеркальная асимметрия).

Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Вирусы - переходная форма от неживого к живому. Это мельчайшие бесклеточные организмы, на 2 порядка мельче, чем бактерии. Вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но нет ферментов, необходимых для обмена веществ. Поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клеточное строение всех организмов живой природы, сходство строения клеток и их химического состава служит доказательством единства органического мира.

Многообразие живых организмов можно расположить по уровням их сложности и специфики функционирования.

Классическими уровнями современной биологии являются:

• Молекулярно- генетический (на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий).
• Клеточный (отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей).
• Онтогенетический (организменный) (все об отдельных особях: строение; физиология, поведение).
• Популяционно-видовой (образуемый свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида).
• Биосферный (биогеоценотический) (рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты).

Каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы.

Человека всегда интересовало, как на Земле возникла жизнь и все существующее разнообразие животного и растительного мира.

Поэтому в биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала

Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира.

Систематика - биологическая наука о разнообразии всех существующих и вымерших организмов, о взаимоотношениях и родственных связях между их различными группами (таксонами).

Основы систематики были заложены в конце 17- первой половине 18 века в трудах Дж. Рея (1693) и К.Линнея (1735).
Эволюция в биологии представляет развитие сложных организмов из предшествующих более простых. Эволюция - исторические изменения наследственных признаков организмов, необратимое историческое развитие живой природы.

Победа эволюционной идеи в 19 в. покончила в науке с верой в божественное сотворение живых существ и человека.

Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века – Ж.. Б. Ламарком и Ч. Дарвином.

Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г . теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора ».

Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе.

Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции.

Изменчивость - это способность организмов приобретать новые свойства и признаки.

Дарвин выделил две формы изменчивости:

– определенную (адаптивная модификация ). Это способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву); не передается по наследству

– неопределенную (мутация) . Ее характер опосредованно связан с изменениями внешних условий, передается по наследству.

Наследственность - это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Естественный отбор - является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов.

Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном приспособлении живых организмов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов.

Возникновение генетики.

Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, представляет собой участок молекулы ДНК.

Хромосомы – это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией.

В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

С этого времени началось быстрое развитие молекулярной биологии

Молекулярная биология - наука, исследующая основные проявления жизни на молекулярном уровне.

Молекулярная биология исследует, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон).

Рис. Двойная спираль ДНК

Биологическая роль ДНК заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК (рибонуклеиновая кислота) в ее реализации.

ДНК и РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Свойство удвоения (репликации) ДНК обеспечивает явление наследственности.

Генетический код – это свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов.

Универсальность генетического кода - у всех организмов на Земле одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют одни и те же аминокислоты

Геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной животной или растительной клетки.

Генотип - совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма. Он представляет собой систему, контролирующую развитие, строение и жизнедеятельность организма.

Фенотип - совокупность всех признаков организма. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Генофонд - совокупность генов данной популяции, группы особей или вида.

Число генов в организме человека составляет 20000-25000, а весь геном - это более 3 млрд. нуклеотидных пар (по результатам проекта «Геном человека»).

Мутации - это изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Мутации – это чрезвычайно редкое явление неточной передачи генетической информации, когда хромосомы новой клетки или гены оказываются не вполне подобными старым.

Современная (синтетическая) теория эволюции представляет собой синтез генетики и дарвинизма. Она появилась к концу 20-х гг. XX в и рассматривает популяцию как элементарную структуру эволюции.

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.

Онтогенез – совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т. е. индивидуальное развитие организма.

Таким образом, в синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез, а развитие популяций.

Биоценоз - совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов.

Автотрофы - организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений.

Гетеротрофы - организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами.

Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

Биосфера - пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности. Живая природа и среда ее обитания.

Концепции происхождения жизни

Возникновение жизни на Земле и её биосферы одна из основных проблем современного естествознания.

Основные концепции происхождения жизни на земле:
1) креационизм (лат. creation "сотворение") жизнь была создана Творцом в определенное время;

2) концепция стационарного состояния (жизнь существовала всегда);

3) панспермия (жизнь была занесена на Землю из Космоса);

4) абиогенез - самопроизвольное зарождение. Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни.

5) биогенез - все живое происходит только от живого. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

6) биохимической эволюции (преобладающая в наше время модель). Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, является то, что согласно теории эволюции жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

• высокая температура, порядка 400 °С;
• атмосфера, состоящая из водяных паров, СО 2 , СН 4 , NH 3 ;
• присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);
• высокая электрическая активность атмосферы;
• ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Большинство ученых придерживается мнения, что на Земле химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни в интервале времени между 4,5 и 3,8 млрд лет назад. Последнюю гипотезу в 20-е годы XX века высказали русский ученый А.И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн. Она и легла в основу современных представлений о возникновении жизни на Земле.

Гипотеза академика А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле (1924 г.) опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов:

Химическая эволюция:

• абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических
• синтез биополимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам;
• образование коацерватов (фазово-обособленных систем органических соединений, отделенных от внешней среды мембранами), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы;
• образование пробионтов (предшественников жизни). Выработка в ходе эволюции у коацерватов процессов саморегуляции, самовоспроизведения и способности осуществлять важнейшие жизненные функции - расти и подвергаться естественному отбору.

Биологическая эволюция

• Возникновение прокариотных организмов из пробионтов
• совершенствование строения и функций клетки (эукариоты, многоклеточные организмы и т.д.)

Наиболее трудная часть проблемы возникновения жизни – переход от биополимеров к первым живым существам. В результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, возникновения мембран с избирательной проницаемостью, образуются пробионты, способные к самовоспроизведению. В эволюционном отношении пробионты были предшественниками прокариот (безъядерных одноклеточных организмов).

Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Развитие жизни на земле

Катархей - геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни (4,6 -3,5 млрд лет назад).

Архей – самая древняя геологическая эра, выделяемая в геохронологии Земли (3,5–2,6 млрд. лет назад).

Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых водорослей) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).

Первый период развития органического мира на Земле (архей) характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода) и гетеротрофными, т.е. питались и воспроизводились за счет "органического бульона", возникшего из неорганических систем.

Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого (около 3 млрд. лет назад).

Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад (протерозой ) и привел к важным преобразованиям на Земле. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода. Первичная атмосфера Земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, а значит и прекратил производство нового "органического бульона"; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным. Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.

Протерозой - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад).

В древнейшей протерозойской эре истории Земли реализуется начальный этап возникновения биосферы. Достоверных сведений о биосфере этой эры практически нет. Представляется, что в те времена могли существовать лишь самые примитивные формы жизни.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») – геологическая эра, в которой на смену одноклеточным и колониальным формам пришли многоклеточные. Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» – очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») – геологическая эра (570–230 млн. лет). В палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») – это геологическая эра (230 – 67 млн. лет)

Мезозойская эра характеризуется появлением многочисленных видов крупных и гигантских животных, особенно рептилий и пресмыкающихся.

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся.

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Происхождение человека

Homo Sapiens – человек разумный относится к отряду приматов, подотряду человекообразных обезьян, семейству – людей.

Первые приматы появились около 70 млн. лет назад, первые человекообразные обезьяны – 34 млн. лет назад.

Сравнение ДНК человека и животных позволяет установить степень родства их организмов. Оказалось, что ДНК гориллы и шимпанзе отличается от человеческого меньше, чем на 3%, тогда как отличия от низших обезьян превышают 10%.

В настоящее время большинство специалистов считает, что ближайшим предшественником человека являются австралопитеки – прямоходящие млекопитающие. Костные остатки австралопитеков, возраст которых составляет от 5 до 2,5 млн. лет, впервые были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке. Австралопитеки изготавливали каменные орудия труда, возможно, даже пользовались огнем, но ни речи, ни социальной структуры у них не было – это тупиковая ветвь эволюции.

В Африке найдены останки «человека умелого » - зинджантропа, жившего 2 млн лет назад. Он обладал уже такими человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название «умелый» ему дано за умение изготовить и применить первобытные каменные орудия труда. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (1,9-0,65 млн лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад), неандерталец , появившийся по разным данным от 200 до 150 тыс. лет назад, и, наконец, кроманьонец , наш непосредственный предок, возникший от 200 до 40 тысяч лет назад.

Таким образом, последовательность наших предков:

человек умелый (Номо habilis»)

человек прямоходящий (Номо erectus)

• питекантроп
• синантроп

человек разумный (Номо sapiens)

• неандерталец (тупиковая ветвь),
• кроманьонец,

Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Следует иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений (бифуркаций), большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка.

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЕ (ИНТЕГРАЛЬНОЕ) ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ.

В конце 20- начале 21 века естествознание вступило в новую историческую фазу своего развития - на уровень постнеклассической науки (интегральное естествознание).

В основе современной науки лежит эволюционно- синергетическая концепция: основным механизмом происхождения и развития Вселенной является универсальный эволюционизм и самоорганизация.

Современная естественнонаучная картина мира является эволюционной.

Понятие и принципы синергетики.

Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: предмет познания у них - это простые, закрытые, изолированные, обратимые во времени) системы.

Различают простые и сложные системы.

Простые системы состоят из небольшого числа независимых переменных, взаимоотношения между которыми описываются линейными уравнениями, поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам.

Сложные системы состоят из большого числа независимых переменных и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Сложные системы описываются нелинейными уравнениями, которые могут иметь несколько решений. Кроме того, чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств , т. е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы.

По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на:

• открытые
• закрытые.

Открытые системы - это системы реального мира, которые обмениваются веществом, энергией или информацией с окружающей средой. К ним относятся напр. биологические и социальные системы.

Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. Понятие «Закрытой системы» является абстракцией высокого уровня. В действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем.

Однако, именно по отношению к закрытым системам и были сформулированы два начала (закона) термодинамики:

1. В закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы (закон сохранения энергии).
2. Процессы, протекающие в замкнутых системах, развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния.

Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти».

Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке, биология (и прежде всего теория эволюции Дарвина) убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи.

Скорее, наоборот: история и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному.

В 70 г. 20 века появилась новая наука «Синергетика », пытающаяся ответить на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.

Синергетик а – наука, изучающая общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации в сложных системах (в физике, химии, биологии, в технике и теории вычислительных машин, в социологии и экономике).

Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина.

Основные понятия синергетики

Самоорганизация - процесс упорядочивания системы, происходящий в силу внутренних факторов самой системы.

Флуктуации - случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, от ее закономерного состояния.

Бифуркация - приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров.

Точки бифуркации – переломные моменты самоорганизации, критические точки выбора пути развития системы.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально гуманитарных разделах наук. Большинство наук изучает процессы эволюции систем и они вынуждены анализировать механизмы их самоорганизации.

К саморазвивающимся и саморегулирующимся системам относятся, напр.:

• в технике - автоматические системы и регуляторы.
• в экономике - механизм рынка свободной конкуренции.
• в физиологии -механизмы гомеостаза, которые регулируют жизненно важные функции организма: температуру тела, частоту дыхания, кровяное давление и др.

Вся система живых организмов основана на синергетике, т.е. из исходной системы хаоса в процессе эволюции была основана организованная система жизни.

Синергетика присутствует также и в неживых системах. По этой теории космические тела были образованы из физического вакуума в результате флуктуации – временного отклонения от среднего. Таким образом, из хаоса была создана организованная система Вселенной

В раскрытии механизмов самоорганизации помимо неравновесной термодинамики были использованы также новые идеи и результаты, появившиеся в разных областях физики и химии – в гидродинамике, физике лазеров, при исследовании автокаталитических реакций и некоторых других явлений.

Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной, нелинейной, состоять из большого числа элементов.

Самоорганизация систем протекает следующим образом:

• период плавного эволюционного развития, накопления флуктуаций, точка бифуркации (критическое состояние);
• выход из критического состояния одномоментно скачком за счет быстрой перестройки системы и переход в новое устойчивое состояние (диссипативную структуру) с большей степенью сложности и упорядоченности.
• по завершении процесса самоорганизации система снова переходит в эволюционное состояние.

Принцип глобального эволюционизма - признание невозможности существования всех рождаемых во вселенной структур вне развития, вне общей эволюции.

Это выявление общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез).

С точки зрения глобального эволюционизма, вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы – от Большого взрыва до возникновения человечества – представляется в виде единого процесса с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции – космической, химической, биологической и социальной.

В глобальном эволюционизме отображается универсальная связь между неживой, живой и социальной материей, фундаментальное единство материального мира.

Глобальный эволюционизм подтверждается моделью Большого взрыва и неравновесной термодинамикой в физике, гипотезами предбиологической эволюции в химии, теорией литосферных плит в геологии, эволюционной генетикой и биологией, а также другими теоретическими построениями. По существу это одна из форм реализации диалектического принципа развития.

Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике (эволюционно-синергетическая парадигма) позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, а затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям.

Что мы знаем о мироздании, каков космос? Вселенная – это трудно постижимый человеческим разумом безграничный мир, который кажется нереальным и нематериальным. На самом деле нас окружает материя, безграничная в пространстве и во времени, способная принимать различные формы. Чтобы попытаться понять истинные масштабы космического пространства, как устроена Вселенная, строение мироздания и процессы эволюции, нам потребуется переступить порог собственного мироощущения, взглянуть на окружающий нас мир под другим ракурсом, изнутри.

Образование Вселенной: первые шаги

Космос, который мы наблюдаем в телескопы, является только частью звездной Вселенной, так называемой Мегагалактикой. Параметры космологического горизонта Хаббла колоссальные – 15-20 млрд. световых лет. Эти данные приблизительны, так как в процессе эволюции Вселенная постоянно расширяется. Расширение Вселенной происходит путем распространения химических элементов и реликтового излучения. Структура Вселенной постоянно меняется. В пространстве возникают скопления галактик, объекты и тела Вселенной — это миллиарды звезд, формирующие элементы ближнего космоса — звездные системы с планетами и со спутниками.

А где начало? Как появилась Вселенная? Предположительно возраст Вселенной составляет 20 млрд. лет. Возможно, источником космической материи стало горячее и плотное протовещество, скопление которого в определенный момент взорвалось. Образовавшиеся в результате взрыва мельчайшие частицы разлетелись во все стороны, и продолжают удаляться от эпицентра в наше время. Теория Большого взрыва, которая сейчас доминирует в научных кругах, наиболее точно подходит под описания процесса образования Вселенной. Возникшее в результате космического катаклизма вещество представляло собой разнородную массу, состоящую из мельчайших неустойчивых частиц, которые сталкиваясь и разлетаясь, стали взаимодействовать друг с другом.

Большой взрыв – теория возникновения Вселенной, объясняющая ее образование. Согласно этой теории изначально существовало некоторое количество вещества, которое в результате определенных процессов взорвалось с колоссальной силой, разбросав в окружающее пространство массу матери.

Спустя некоторое время, по космическим меркам — мгновение, по земному летоисчислению — миллионы лет, наступил этап материализации пространства. Из чего состоит Вселенная? Рассеянное вещество стало концентрироваться в сгустки, большие и малые, на месте которых впоследствии стали возникать первые элементы Вселенной, огромные газовые массивы — ясли будущих звезд. В большинстве случаев процесс формирования материальных объектов во Вселенной объясняется законами физики и термодинамики, однако существует ряд моментов, которые пока не поддаются объяснению. К примеру, почему в одной части пространства расширяющееся вещество концентрируется больше, тогда как в другой части мироздания материя сильно разрежена. Ответы на эти вопросы можно будет получить только тогда, когда станет понятен механизм образования космических объектов, больших и малых.

Сейчас же процесс образования Вселенной объясняется действием законов Вселенной. Гравитационная нестабильность и энергия в разных участках запустили процессы формирования протозвезд, которые в свою очередь под воздействием центробежных сил и гравитации образовали галактики. Другими словами, в то время как материя продолжала и продолжает расширяться, под воздействием сил тяготения начались процессы сжатия. Частицы газовых облаков стали концентрироваться вокруг мнимого центра, образуя в итоге новое уплотнение. Строительным материалом в этой гигантской стройке является молекулярный водород и гелий.

Химические элементы Вселенной — первичный строительный материал, из которого шло впоследствии формирование объектов Вселенной

Дальше начинает действовать закон термодинамики, приводятся в действие процессы распада и ионизации. Молекулы водорода и гелия распадаются на атомы, из которых под действием сил гравитации формируется ядро протозвезды. Эти процессы являются законами Вселенной и приняли форму цепной реакции, происходят во всех далеких уголках Вселенной, заполнив мироздание миллиардами, сотнями миллиардов звезд.

Эволюция Вселенной: основные моменты

На сегодняшний день в научных кругах бытует гипотеза о цикличности состояний, из которых соткана история Вселенной. Возникнув в результате взрыва протовещества скопления газа, стали яслями для звезд, которые в свою очередь сформировали многочисленные галактики. Однако достигнув определенной фазы, материя во Вселенной начинает стремиться к своему изначальному, концентрированному состоянию, т.е. за взрывом и последующим расширением вещества в пространстве следует сжатие и возврат к сверхплотному состоянию, к исходной точке. Впоследствии все повторяется, за рождением следует финал и так на протяжении многих миллиардов лет, до бесконечности.

Начало и конец мироздания в соответствии с цикличностью эволюции Вселенной

Однако опустив тему образования Вселенной, которая остается открытым вопросом, следует перейти к строению мироздания. Еще в 30-е годы XX века стало ясно, что космическое пространство поделено на районы – галактики, которые являются огромными образованиями, каждое со своим звездным населением. При этом галактики не являются статическими объектами. Скорость разлета галактик от мнимого центра Вселенной постоянно меняется, о чем свидетельствует сближение одних и удаление других друг от друга.

Все перечисленные процессы с точки зрения продолжительности земной жизни длятся очень медленно. С точки зрения науки и этих гипотез — все эволюционные процессы происходят стремительно. Условно эволюцию Вселенной можно разделить на четыре этапа – эры:

• адронная эра;
• лептонная эра;
• фотонная эра;
• звездная эра.

Космическая шкала времени и эволюции Вселенной, в соответствии с которой можно объяснить появление космических объектов

На первом этапе все вещество было сконцентрировано в одной большой ядерной капле, состоящей из частиц и античастиц, объединенных в группы – адроны (протоны и нейтроны). Соотношение частиц и античастиц составляет примерно 1:1,1. Далее наступает процесс аннигиляции частиц и античастиц. Оставшиеся протоны и нейтроны являются тем строительным материалом, из которого формируется Вселенная. Продолжительность адронной эры ничтожна, всего 0,0001 секунды — период взрывной реакции.

Далее, спустя 100 секунд, начинается процесс синтеза элементов. При температуре миллиард градусов в процессе ядерного синтеза образуются молекулы водорода и гелия. Все это время вещество продолжает расширяться в пространстве.

С этого момента начинается длительный, от 300 тыс. до 700 тыс. лет, этап рекомбинации ядер и электронов, формирующих атомы водорода и гелия. При этом наблюдается снижение температуры вещества, падает интенсивность излучения. Вселенная становится прозрачной. Образовавшийся в колоссальных количествах водород и гелий под действием сил гравитации превращает первичную Вселенную в гигантскую строительную площадку. Через миллионы лет начинается звездная эра – представляющая собой процесс образования протозвезд и первых протогалактик.

Такое деление эволюции на этапы вписывается в модель горячей Вселенной, которая объясняет многие процессы. Истинные причины Большого взрыва, механизм расширения материи остаются необъяснимыми.

Строение и структура Вселенной

С образования водородного газа начинается звездная эра эволюции Вселенной. Водород под действием гравитации скапливается в огромные скопления, сгустки. Масса и плотность таких скоплений колоссальны, в сотни тысяч раз превышают массу самой сформировавшейся галактики. Неравномерное распределение водорода, наблюдавшееся на начальной стадии формирования мироздания, объясняет различия в размерах образовавшихся галактик. Там, где должно было существовать максимальное скопление водородного газа, образовались мегагалактики. Где концентрация водорода была незначительной, появились галактики меньших размеров, подобные нашему звездному дому — Млечному Пути.

Версия, в соответствии с которой Вселенная представляет собой точку начала-конца, вокруг которой вращаются галактики на разных этапах развития

С этого момента Вселенная получает первые образования с четкими границами и физическими параметрами. Это уже не туманности, скопления звездного газа и космической пыли (продукты взрыва), протоскопления звездной материи. Это звездные страны, площадь которых огромна с точки зрения человеческого разума. Вселенная становится полна интересных космических феноменов.

С точки зрения научных обоснований и современной модели Вселенной, сначала формировались галактики в результате действия гравитационных сил. Происходило превращение материи в колоссальный вселенский водоворот. Центростремительные процессы обеспечили последующую фрагментацию газовых облаков в скопления, которые стали местом рождения первых звезд. Протогалактики с быстрым периодом вращения превратились со временем в спиральные галактики. Там, где вращение было медленным, и в основном наблюдался процесс сжатия вещества, образовались неправильные галактик, чаще эллиптические. На этом фоне во Вселенной происходили более грандиозные процессы — формирование сверхскоплений галактик, которые тесно соприкасаются своими краями друг с другом.

Сверхскопления — это многочисленные группы галактик и скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры Вселенной. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений

С этого момента стало ясно, что Вселенная представляет собой огромную карту, где континентами являются скопления галактик, а странами — мегагалактики и галактики, образовавшиеся миллиарды лет назад. Каждое из образований состоит из скопления звезд, туманностей, скоплений межзвездного газа и пыли. Однако все это население составляет лишь 1% от общего объема вселенских образований. Основную массу и объем галактик занимает темная материя, природу которой выяснить не представляется возможным.

Разнообразие Вселенной: классы галактик

Стараниями американского ученого астрофизика Эдвина Хаббла мы теперь имеем границы Вселенной и четкую классификацию галактик, населяющих ее. В основу классификации легли особенности структуры этих гигантских образований. Почему галактики имеют разную форму? Ответ на этот и многие другие вопросы дает классификация Хаббла, в соответствии с которой Вселенная состоит из галактик следующих классов:

• спиральные;
• эллиптические;
• иррегулярные галактики.

К первым относятся наиболее распространенные образования, которыми заполнено мироздание. Характерными чертами спиральных галактик является наличие четко выраженной спирали, которая вращается вокруг яркого ядра либо стремится к галактической перемычке. Спиральные галактики с ядром обозначаются символами S, тогда как у объектов с центральной перемычкой обозначение уже SB. К этому классу относится и наша галактика Млечный Путь , в центре которой ядро разделено светящейся перемычкой.

Типичная спиральная галактика. В центре отчетливо видны ядро с перемычкой от концов которой исходят спиральные рукава.

Подобные образования разбросаны по Вселенной. Ближайшая к нам спиральная галактика Андромеда — гигант, который стремительно сближается с Млечным Путем. Наибольшей из известных нам представительниц этого класса является гигантская галактика NGC 6872. Диаметр галактического диска этого монстра составляет примерно 522 тысячи световых лет. Находится этот объект на расстоянии от нашей галактики в 212 млн. световых лет.

Следующим, распространенным классом галактических образований являются эллиптические галактики. Их обозначение в соответствии с классификацией Хаббла буква Е (elliptical). По форме эти образования эллипсоиды. Несмотря на то, что подобных объектов во Вселенной достаточно много, эллиптические галактики не отличатся выразительностью. Состоят они в основном из гладких эллипсов, которые наполнены звездными скоплениями. В отличие от галактических спиралей, эллипсы не содержат скоплений межзвездного газа и космической пыли, которые являются основными оптическими эффектами визуализации подобных объектов.

Типичный представитель этого класса, известный на сегодняшний день — эллиптическая кольцевая туманность в созвездии Лиры. Этот объект расположен от Земли на расстоянии 2100 световых лет.

Вид эллиптической галактики Центавр А в телескоп CFHT

Последний класс галактических объектов, которыми населена Вселенная — иррегулярные или неправильные галактики. Обозначение по классификации Хаббла – латинский символ I. Основная черта – это неправильная форма. Другими словами у подобных объектов нет четких симметричных форм и характерного рисунка. По своей форме такая галактика напоминает картину вселенского хаоса, где звездные скопления чередуются с облаками газа и космической пыли. В масштабах Вселенной иррегулярные галактики — явление частое.

В свою очередь неправильные галактики делятся на два подтипа:

• иррегулярные галактики I подтипа имеют сложную неправильной формы структуру, высокую плотную поверхность, отличающуюся яркостью. Нередко такая хаотическая форма неправильных галактик является следствием разрушившихся спиралей. Типичный пример подобной галактики — Большое и Малое Магелланово Облако;
• иррегулярные, неправильные галактики II подтипа имеют низкую поверхность, хаотическую форму и не отличаются высокой яркостью. Вследствие снижения яркости, подобные образования трудно обнаружить на просторах Вселенной.

Большое Магелланово Облако является самой ближайшей к нам неправильной галактикой. Оба образования в свою очередь являются спутниками Млечного Пути и могут быть в скором времени(через 1-2 млрд. лет) поглощены более крупным объектом.

Неправильная галактика Большое Магелланово облако — спутник нашей галактики Млечный Путь

Несмотря на то, что Эдвин Хаббл достаточно точно расставил галактики по классам, данная классификация не является идеальной. Больше результатов мы могли бы достичь, включи в процесс познания Вселенной теорию относительности Эйнштейна. Вселенная представлена богатством разнообразных форм и структур, каждая из которых имеет свои характерные свойства и особенности. Недавно астрономы сумели обнаружить новые галактические образования, которые по описанию являются промежуточными объектами, между спиральными и эллиптическими галактиками.

Млечный Путь — самая известная нам часть Вселенной

Две спиральные ветви, симметрично расположенные вокруг центра, составляют основное тело галактики. Спирали в свою очередь состоят из рукавов, которые плавно перетекают друг в друга. На стыке рукавов Стрельца и Лебедя расположилось наше Солнце, находящееся от центра галактики Млечный Путь на расстоянии 2,62·10¹⁷км. Спирали и рукава спиральных галактик – это скопления звезд, плотность которых увеличивается по мере приближения к галактическому центру. Остальную массу и объем галактических спиралей составляет темная материя, и только малая часть приходится на межзвездный газ и космическую пыль.

Положение Солнца в рукавах Млечного Пути, место нашей галактики во Вселенной

Толщина спиралей составляет примерно 2 тыс. световых лет. Весь это слоеный пирог находится в постоянном движении, вращаясь с огромной скоростью 200-300 км/с. Чем ближе к центру галактики, тем выше скорость вращения. Солнцу и нашей Солнечной системе потребуется 250 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Млечного Пути.

Наша галактика состоит из триллиона звезд, больших и малых, сверхтяжелых и средней величины. Самое плотное скопление звезд Млечного Пути — рукав Стрельца. Именно в этой области наблюдается максимальная яркость нашей галактики. Противоположная часть галактического круга наоборот, менее яркая и плохо различима при визуальном наблюдении.

Центральная часть Млечного Пути представлена ядром, размеры которого предположительно составляют 1000-2000 парсек. В этой самой яркой области галактики сосредоточено максимальное количество звезд, которые имеют различные классы, свои пути развития и эволюции. В основном это старые сверхтяжелые звезды, находящиеся на финальной стадии Главной последовательности. Подтверждением наличия стареющего центра галактики Млечный Путь является наличие в этой области большого числа нейтронных звезд и черные дыры. Действительно – центр спирального диска любой спиральной галактики — сверхмассивная черная дыра, которая словно гигантский пылесос всасывает в себя небесные объекты и реальную материю.

Сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центральной части Млечного Пути – место гибели всех галактических объектов

Что касается звездных скоплений, то ученым сегодня удалось классифицировать два вида скоплений: шарообразные и рассеянные. Помимо звездных скоплений спирали и рукава Млечного Пути, как и любой другой спиральной галактики, состоят из рассеянной материи и темной энергии. Являясь последствием Большого взрыва, материя пребывает в сильно разреженном состоянии, которое представлено разреженным межзвездным газом и частицами пыли. Видимая часть материи представляет собой туманности, которые в свою очередь делятся на два типа: планетарные и диффузные туманности. Видимая часть спектра туманностей объясняется преломлением света звезд, которые излучают свет внутри спирали по всем направлениями.

В этом космическом супе и существует наша Солнечная система. Нет, мы не единственные в этом огромном мире. Как и у Солнца , многие звезды имеют свои планетарные системы. Весь вопрос в том, как обнаружить далекие планеты, если расстояния даже в пределах нашей галактики превышают продолжительность существования любой разумной цивилизации. Время во Вселенной измеряется другими критериями. Планеты со своими спутниками, самые мелкие объекты во Вселенной. Количество подобных объектов не поддается исчислению. Каждая из тех звезд, которые находятся в видимом диапазоне, могут иметь собственные звездные системы. В наших силах увидеть только самые ближайшие к нам существующие планеты. Что происходит по соседству, какие миры существуют в других рукавах Млечного Пути и какие планеты существуют в других галактиках, остается загадкой.

Kepler-16 b - экзопланета у двойной звезды Kepler-16 в созвездии Лебедь

Заключение

Имея только поверхностное представление о том, как появилась и как эволюционирует Вселенная, человек сделал лишь маленький шаг на пути постижения и осмысливания масштабов мироздания. Грандиозные размеры и масштабы, с которыми ученым приходится сегодня иметь дело, говорят о том, что человеческая цивилизация — лишь мгновение в этом пучке материи, пространства и времени.

Модель Вселенной в соответствии с понятием присутствия материи в пространстве с учетом времени

Изучение Вселенной идет от Коперника и до наших дней. Сначала ученые отталкивались от гелиоцентрической модели. На деле оказалось, что космос не имеет реального центра и все вращение, движение и перемещение происходит по законам Вселенной. Несмотря на то, что существует научное объяснение происходящим процессам, вселенские объекты распределены на классы, виды и типы, ни одно тело в космосе не похоже на другое. Размеры небесных тел примерны, так же как и их масса. Расположение галактик, звезд и планет условно. Все дело в том, что во Вселенной нет системы координат. Наблюдая за космосом, мы делаем проекцию на весь видимый горизонт, считая нашу Землю нулевой точкой отсчета. На самом деле мы только микроскопическая частичка, затерявшаяся в бесконечных просторах Вселенной.

Вселенная – это субстанция, в которой все объекты существуют в тесной привязке к пространству и времени

Аналогично привязки к размерам, следует рассматривать время во Вселенной, как главную составляющую. Зарождение и возраст космических объектов позволяет составить картину рождения мира, выделить этапы эволюции мироздания. Система, с которой мы имеем дело, тесно связана временными рамками. Все процессы, протекающие в космосе, имеют циклы — начало, формирование, трансформацию и финал, сопровождающийся гибелью материального объекта и перехода материи в другое состояние.

Что мы знаем о мироздании, каков космос? Вселенная – это трудно постижимый человеческим разумом безграничный мир, который кажется нереальным и нематериальным. На самом деле нас окружает материя, безграничная в пространстве и во времени, способная принимать различные формы. Чтобы попытаться понять истинные масштабы космического пространства, как устроена Вселенная, строение мироздания и процессы эволюции, нам потребуется переступить порог собственного мироощущения, взглянуть на окружающий нас мир под другим ракурсом, изнутри.

Образование Вселенной: первые шаги

Космос, который мы наблюдаем в телескопы, является только частью звездной Вселенной, так называемой Мегагалактикой. Параметры космологического горизонта Хаббла колоссальные – 15-20 млрд. световых лет. Эти данные приблизительны, так как в процессе эволюции Вселенная постоянно расширяется. Расширение Вселенной происходит путем распространения химических элементов и реликтового излучения. Структура Вселенной постоянно меняется. В пространстве возникают скопления галактик, объекты и тела Вселенной — это миллиарды звезд, формирующие элементы ближнего космоса — звездные системы с планетами и со спутниками.

А где начало? Как появилась Вселенная? Предположительно возраст Вселенной составляет 20 млрд. лет. Возможно, источником космической материи стало горячее и плотное протовещество, скопление которого в определенный момент взорвалось. Образовавшиеся в результате взрыва мельчайшие частицы разлетелись во все стороны, и продолжают удаляться от эпицентра в наше время. Теория Большого взрыва, которая сейчас доминирует в научных кругах, наиболее точно подходит под описания процесса образования Вселенной. Возникшее в результате космического катаклизма вещество представляло собой разнородную массу, состоящую из мельчайших неустойчивых частиц, которые сталкиваясь и разлетаясь, стали взаимодействовать друг с другом.

Большой взрыв – теория возникновения Вселенной, объясняющая ее образование. Согласно этой теории изначально существовало некоторое количество вещества, которое в результате определенных процессов взорвалось с колоссальной силой, разбросав в окружающее пространство массу матери.

Спустя некоторое время, по космическим меркам — мгновение, по земному летоисчислению — миллионы лет, наступил этап материализации пространства. Из чего состоит Вселенная? Рассеянное вещество стало концентрироваться в сгустки, большие и малые, на месте которых впоследствии стали возникать первые элементы Вселенной, огромные газовые массивы — ясли будущих звезд. В большинстве случаев процесс формирования материальных объектов во Вселенной объясняется законами физики и термодинамики, однако существует ряд моментов, которые пока не поддаются объяснению. К примеру, почему в одной части пространства расширяющееся вещество концентрируется больше, тогда как в другой части мироздания материя сильно разрежена. Ответы на эти вопросы можно будет получить только тогда, когда станет понятен механизм образования космических объектов, больших и малых.

Сейчас же процесс образования Вселенной объясняется действием законов Вселенной. Гравитационная нестабильность и энергия в разных участках запустили процессы формирования протозвезд, которые в свою очередь под воздействием центробежных сил и гравитации образовали галактики. Другими словами, в то время как материя продолжала и продолжает расширяться, под воздействием сил тяготения начались процессы сжатия. Частицы газовых облаков стали концентрироваться вокруг мнимого центра, образуя в итоге новое уплотнение. Строительным материалом в этой гигантской стройке является молекулярный водород и гелий.

Химические элементы Вселенной — первичный строительный материал, из которого шло впоследствии формирование объектов Вселенной

Дальше начинает действовать закон термодинамики, приводятся в действие процессы распада и ионизации. Молекулы водорода и гелия распадаются на атомы, из которых под действием сил гравитации формируется ядро протозвезды. Эти процессы являются законами Вселенной и приняли форму цепной реакции, происходят во всех далеких уголках Вселенной, заполнив мироздание миллиардами, сотнями миллиардов звезд.

Эволюция Вселенной: основные моменты

На сегодняшний день в научных кругах бытует гипотеза о цикличности состояний, из которых соткана история Вселенной. Возникнув в результате взрыва протовещества скопления газа, стали яслями для звезд, которые в свою очередь сформировали многочисленные галактики. Однако достигнув определенной фазы, материя во Вселенной начинает стремиться к своему изначальному, концентрированному состоянию, т.е. за взрывом и последующим расширением вещества в пространстве следует сжатие и возврат к сверхплотному состоянию, к исходной точке. Впоследствии все повторяется, за рождением следует финал и так на протяжении многих миллиардов лет, до бесконечности.

Начало и конец мироздания в соответствии с цикличностью эволюции Вселенной

Однако опустив тему образования Вселенной, которая остается открытым вопросом, следует перейти к строению мироздания. Еще в 30-е годы XX века стало ясно, что космическое пространство поделено на районы – галактики, которые являются огромными образованиями, каждое со своим звездным населением. При этом галактики не являются статическими объектами. Скорость разлета галактик от мнимого центра Вселенной постоянно меняется, о чем свидетельствует сближение одних и удаление других друг от друга.

Все перечисленные процессы с точки зрения продолжительности земной жизни длятся очень медленно. С точки зрения науки и этих гипотез — все эволюционные процессы происходят стремительно. Условно эволюцию Вселенной можно разделить на четыре этапа – эры:

• адронная эра;
• лептонная эра;
• фотонная эра;
• звездная эра.

Космическая шкала времени и эволюции Вселенной, в соответствии с которой можно объяснить появление космических объектов

На первом этапе все вещество было сконцентрировано в одной большой ядерной капле, состоящей из частиц и античастиц, объединенных в группы – адроны (протоны и нейтроны). Соотношение частиц и античастиц составляет примерно 1:1,1. Далее наступает процесс аннигиляции частиц и античастиц. Оставшиеся протоны и нейтроны являются тем строительным материалом, из которого формируется Вселенная. Продолжительность адронной эры ничтожна, всего 0,0001 секунды — период взрывной реакции.

Далее, спустя 100 секунд, начинается процесс синтеза элементов. При температуре миллиард градусов в процессе ядерного синтеза образуются молекулы водорода и гелия. Все это время вещество продолжает расширяться в пространстве.

С этого момента начинается длительный, от 300 тыс. до 700 тыс. лет, этап рекомбинации ядер и электронов, формирующих атомы водорода и гелия. При этом наблюдается снижение температуры вещества, падает интенсивность излучения. Вселенная становится прозрачной. Образовавшийся в колоссальных количествах водород и гелий под действием сил гравитации превращает первичную Вселенную в гигантскую строительную площадку. Через миллионы лет начинается звездная эра – представляющая собой процесс образования протозвезд и первых протогалактик.

Такое деление эволюции на этапы вписывается в модель горячей Вселенной, которая объясняет многие процессы. Истинные причины Большого взрыва, механизм расширения материи остаются необъяснимыми.

Строение и структура Вселенной

С образования водородного газа начинается звездная эра эволюции Вселенной. Водород под действием гравитации скапливается в огромные скопления, сгустки. Масса и плотность таких скоплений колоссальны, в сотни тысяч раз превышают массу самой сформировавшейся галактики. Неравномерное распределение водорода, наблюдавшееся на начальной стадии формирования мироздания, объясняет различия в размерах образовавшихся галактик. Там, где должно было существовать максимальное скопление водородного газа, образовались мегагалактики. Где концентрация водорода была незначительной, появились галактики меньших размеров, подобные нашему звездному дому — Млечному Пути.

Версия, в соответствии с которой Вселенная представляет собой точку начала-конца, вокруг которой вращаются галактики на разных этапах развития

С этого момента Вселенная получает первые образования с четкими границами и физическими параметрами. Это уже не туманности, скопления звездного газа и космической пыли (продукты взрыва), протоскопления звездной материи. Это звездные страны, площадь которых огромна с точки зрения человеческого разума. Вселенная становится полна интересных космических феноменов.

С точки зрения научных обоснований и современной модели Вселенной, сначала формировались галактики в результате действия гравитационных сил. Происходило превращение материи в колоссальный вселенский водоворот. Центростремительные процессы обеспечили последующую фрагментацию газовых облаков в скопления, которые стали местом рождения первых звезд. Протогалактики с быстрым периодом вращения превратились со временем в спиральные галактики. Там, где вращение было медленным, и в основном наблюдался процесс сжатия вещества, образовались неправильные галактик, чаще эллиптические. На этом фоне во Вселенной происходили более грандиозные процессы — формирование сверхскоплений галактик, которые тесно соприкасаются своими краями друг с другом.

Сверхскопления — это многочисленные группы галактик и скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры Вселенной. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений

С этого момента стало ясно, что Вселенная представляет собой огромную карту, где континентами являются скопления галактик, а странами — мегагалактики и галактики, образовавшиеся миллиарды лет назад. Каждое из образований состоит из скопления звезд, туманностей, скоплений межзвездного газа и пыли. Однако все это население составляет лишь 1% от общего объема вселенских образований. Основную массу и объем галактик занимает темная материя, природу которой выяснить не представляется возможным.

Разнообразие Вселенной: классы галактик

Стараниями американского ученого астрофизика Эдвина Хаббла мы теперь имеем границы Вселенной и четкую классификацию галактик, населяющих ее. В основу классификации легли особенности структуры этих гигантских образований. Почему галактики имеют разную форму? Ответ на этот и многие другие вопросы дает классификация Хаббла, в соответствии с которой Вселенная состоит из галактик следующих классов:

• спиральные;
• эллиптические;
• иррегулярные галактики.

К первым относятся наиболее распространенные образования, которыми заполнено мироздание. Характерными чертами спиральных галактик является наличие четко выраженной спирали, которая вращается вокруг яркого ядра либо стремится к галактической перемычке. Спиральные галактики с ядром обозначаются символами S, тогда как у объектов с центральной перемычкой обозначение уже SB. К этому классу относится и наша галактика Млечный Путь , в центре которой ядро разделено светящейся перемычкой.

Типичная спиральная галактика. В центре отчетливо видны ядро с перемычкой от концов которой исходят спиральные рукава.

Подобные образования разбросаны по Вселенной. Ближайшая к нам спиральная галактика Андромеда — гигант, который стремительно сближается с Млечным Путем. Наибольшей из известных нам представительниц этого класса является гигантская галактика NGC 6872. Диаметр галактического диска этого монстра составляет примерно 522 тысячи световых лет. Находится этот объект на расстоянии от нашей галактики в 212 млн. световых лет.

Следующим, распространенным классом галактических образований являются эллиптические галактики. Их обозначение в соответствии с классификацией Хаббла буква Е (elliptical). По форме эти образования эллипсоиды. Несмотря на то, что подобных объектов во Вселенной достаточно много, эллиптические галактики не отличатся выразительностью. Состоят они в основном из гладких эллипсов, которые наполнены звездными скоплениями. В отличие от галактических спиралей, эллипсы не содержат скоплений межзвездного газа и космической пыли, которые являются основными оптическими эффектами визуализации подобных объектов.

Типичный представитель этого класса, известный на сегодняшний день — эллиптическая кольцевая туманность в созвездии Лиры. Этот объект расположен от Земли на расстоянии 2100 световых лет.

Вид эллиптической галактики Центавр А в телескоп CFHT

Последний класс галактических объектов, которыми населена Вселенная — иррегулярные или неправильные галактики. Обозначение по классификации Хаббла – латинский символ I. Основная черта – это неправильная форма. Другими словами у подобных объектов нет четких симметричных форм и характерного рисунка. По своей форме такая галактика напоминает картину вселенского хаоса, где звездные скопления чередуются с облаками газа и космической пыли. В масштабах Вселенной иррегулярные галактики — явление частое.

В свою очередь неправильные галактики делятся на два подтипа:

• иррегулярные галактики I подтипа имеют сложную неправильной формы структуру, высокую плотную поверхность, отличающуюся яркостью. Нередко такая хаотическая форма неправильных галактик является следствием разрушившихся спиралей. Типичный пример подобной галактики — Большое и Малое Магелланово Облако;
• иррегулярные, неправильные галактики II подтипа имеют низкую поверхность, хаотическую форму и не отличаются высокой яркостью. Вследствие снижения яркости, подобные образования трудно обнаружить на просторах Вселенной.

Большое Магелланово Облако является самой ближайшей к нам неправильной галактикой. Оба образования в свою очередь являются спутниками Млечного Пути и могут быть в скором времени(через 1-2 млрд. лет) поглощены более крупным объектом.

Неправильная галактика Большое Магелланово облако — спутник нашей галактики Млечный Путь

Несмотря на то, что Эдвин Хаббл достаточно точно расставил галактики по классам, данная классификация не является идеальной. Больше результатов мы могли бы достичь, включи в процесс познания Вселенной теорию относительности Эйнштейна. Вселенная представлена богатством разнообразных форм и структур, каждая из которых имеет свои характерные свойства и особенности. Недавно астрономы сумели обнаружить новые галактические образования, которые по описанию являются промежуточными объектами, между спиральными и эллиптическими галактиками.

Млечный Путь — самая известная нам часть Вселенной

Две спиральные ветви, симметрично расположенные вокруг центра, составляют основное тело галактики. Спирали в свою очередь состоят из рукавов, которые плавно перетекают друг в друга. На стыке рукавов Стрельца и Лебедя расположилось наше Солнце, находящееся от центра галактики Млечный Путь на расстоянии 2,62·10¹⁷км. Спирали и рукава спиральных галактик – это скопления звезд, плотность которых увеличивается по мере приближения к галактическому центру. Остальную массу и объем галактических спиралей составляет темная материя, и только малая часть приходится на межзвездный газ и космическую пыль.

Положение Солнца в рукавах Млечного Пути, место нашей галактики во Вселенной

Толщина спиралей составляет примерно 2 тыс. световых лет. Весь это слоеный пирог находится в постоянном движении, вращаясь с огромной скоростью 200-300 км/с. Чем ближе к центру галактики, тем выше скорость вращения. Солнцу и нашей Солнечной системе потребуется 250 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Млечного Пути.

Наша галактика состоит из триллиона звезд, больших и малых, сверхтяжелых и средней величины. Самое плотное скопление звезд Млечного Пути — рукав Стрельца. Именно в этой области наблюдается максимальная яркость нашей галактики. Противоположная часть галактического круга наоборот, менее яркая и плохо различима при визуальном наблюдении.

Центральная часть Млечного Пути представлена ядром, размеры которого предположительно составляют 1000-2000 парсек. В этой самой яркой области галактики сосредоточено максимальное количество звезд, которые имеют различные классы, свои пути развития и эволюции. В основном это старые сверхтяжелые звезды, находящиеся на финальной стадии Главной последовательности. Подтверждением наличия стареющего центра галактики Млечный Путь является наличие в этой области большого числа нейтронных звезд и черные дыры. Действительно – центр спирального диска любой спиральной галактики — сверхмассивная черная дыра, которая словно гигантский пылесос всасывает в себя небесные объекты и реальную материю.

Сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центральной части Млечного Пути – место гибели всех галактических объектов

Что касается звездных скоплений, то ученым сегодня удалось классифицировать два вида скоплений: шарообразные и рассеянные. Помимо звездных скоплений спирали и рукава Млечного Пути, как и любой другой спиральной галактики, состоят из рассеянной материи и темной энергии. Являясь последствием Большого взрыва, материя пребывает в сильно разреженном состоянии, которое представлено разреженным межзвездным газом и частицами пыли. Видимая часть материи представляет собой туманности, которые в свою очередь делятся на два типа: планетарные и диффузные туманности. Видимая часть спектра туманностей объясняется преломлением света звезд, которые излучают свет внутри спирали по всем направлениями.

В этом космическом супе и существует наша Солнечная система. Нет, мы не единственные в этом огромном мире. Как и у Солнца , многие звезды имеют свои планетарные системы. Весь вопрос в том, как обнаружить далекие планеты, если расстояния даже в пределах нашей галактики превышают продолжительность существования любой разумной цивилизации. Время во Вселенной измеряется другими критериями. Планеты со своими спутниками, самые мелкие объекты во Вселенной. Количество подобных объектов не поддается исчислению. Каждая из тех звезд, которые находятся в видимом диапазоне, могут иметь собственные звездные системы. В наших силах увидеть только самые ближайшие к нам существующие планеты. Что происходит по соседству, какие миры существуют в других рукавах Млечного Пути и какие планеты существуют в других галактиках, остается загадкой.

Kepler-16 b - экзопланета у двойной звезды Kepler-16 в созвездии Лебедь

Заключение

Имея только поверхностное представление о том, как появилась и как эволюционирует Вселенная, человек сделал лишь маленький шаг на пути постижения и осмысливания масштабов мироздания. Грандиозные размеры и масштабы, с которыми ученым приходится сегодня иметь дело, говорят о том, что человеческая цивилизация — лишь мгновение в этом пучке материи, пространства и времени.

Модель Вселенной в соответствии с понятием присутствия материи в пространстве с учетом времени

Изучение Вселенной идет от Коперника и до наших дней. Сначала ученые отталкивались от гелиоцентрической модели. На деле оказалось, что космос не имеет реального центра и все вращение, движение и перемещение происходит по законам Вселенной. Несмотря на то, что существует научное объяснение происходящим процессам, вселенские объекты распределены на классы, виды и типы, ни одно тело в космосе не похоже на другое. Размеры небесных тел примерны, так же как и их масса. Расположение галактик, звезд и планет условно. Все дело в том, что во Вселенной нет системы координат. Наблюдая за космосом, мы делаем проекцию на весь видимый горизонт, считая нашу Землю нулевой точкой отсчета. На самом деле мы только микроскопическая частичка, затерявшаяся в бесконечных просторах Вселенной.

Вселенная – это субстанция, в которой все объекты существуют в тесной привязке к пространству и времени

Аналогично привязки к размерам, следует рассматривать время во Вселенной, как главную составляющую. Зарождение и возраст космических объектов позволяет составить картину рождения мира, выделить этапы эволюции мироздания. Система, с которой мы имеем дело, тесно связана временными рамками. Все процессы, протекающие в космосе, имеют циклы — начало, формирование, трансформацию и финал, сопровождающийся гибелью материального объекта и перехода материи в другое состояние.

Эволюция Вселенной - от рождения до... будущего.

“История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода:
первый, о котором ровно ничего неизвестно. Второй, который последовал за первым.
И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько о первых двух”.
А. Аверченко. “Всемирная история”

Эволюция Вселенной - основные этапы.
(Важно: как возникла Вселенная - до сих пор ученые не знают, поэтому далее рассматривается процесс эволюции, или развития,Вселенной).

1. В период времени от 0 до 10 -35 с - рассматривается теория раздувающейся (инфляционной) Вселенная, согласно которой Вселенной мгновенно раздулась до огромных размеров, а затем обратно сжалась. Образно говоря, роды Вселенной происходили в вакууме. Точнее сказать, Вселенная рождалась из вакуумоподобного состояния; законы квантовой механики позволяют считать, что пустое пространство (вакуум) в действительности заполнено частицами (материей) и античастицами (антиматерией), которые постоянно создаются, живут какое-то время, встречаются снова и аннигилируют.
   Инфляция мешает нам - она совершенно стерла все, что было во Вселенной до ее начала! Но для осуществления инфляции была необходима энергия (чтобы «раздуть» Вселенную!), откуда ее взять? Сегодня ученые предполагают, что во время инфляции «работает» сам экспоненциально расширяющийся космос с невероятным количеством скрытой в нем потенциальной энергии. Можно представить, что в инфляционный период Вселенная раздувается от «нулевых» размеров и до каких-то (возможно и очень-очень больших), но спустя примерно t=10 -35 с - 10 -34 с начинается новый период развития Вселенной – начинает работать иак называемая Стандартная модель, или модель Большого Взрыва (Big Bang).
2. 10 -34 с - Инфляция заканчивается, в небольшой области (наша будущая Вселенная!) находится вещество и излучение. В этот момент температура Вселенной составляет не менее 10 15 К, но не более 10 29 К (для сравнения, самая высокая температура, Т=10 11 К, на сегодня возможна при вспышке Сверхновой). Вселенная, вся ее материя и энергия, сосредоточены в объеме, сопоставимым с размером одного протона (!). Возможно, в это время действует единый тип взаимодействий и проявляются новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.
   После инфляционного периода расширение продолжается, но с намного меньшей скоростью: Вселенная не остается постоянной, энергия распределяется на больший объем, поэтому температура Вселенной падает, Вселенная охлаждается.
3. 10 -33 с - разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц ~10 -10). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.
4. 10 -10 c - T=10 15 K. Разделение сильного и слабого взаимодействий.
1 сек. Т=10 10 К. Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

Процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц.

Отметим, что при эволюции Вселенной происходят процессы взаимного преобразования вещества в излучение и наоборот. Проиллюстрируем это тезис на примере процессов рождения и аннигиляции элементарных части. Процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении гамма-квантов и аннигиляции пар электрон-позитрон с превращением в фотоны: g + g -> e + + e -
e + + e - -> g + g
Для рождения пары электрон-позитрон надо затратить энергию около 1 Мэв, значит, такие процессы могут идти при температуре выше десяти миллиардов градусов (напомним, что температура Солнца около 10 8 К)

Звезды, Галактики и другие структуры Вселенной.

Как развивалась Вселенная дальше? "Распад" Вселенной (возвращение к "первоначальному равновесному" состоянию) или усложнение структуры Вселенной?
Но по какому пути пошло дальнейшее развитие Вселенной? Можно говорить о прохождении Вселенной точки бифуркации: был возможен либо “распад” Вселенной (и возвращение к “первоначальному равновесному” состоянию типа «кваркового супа»), либо дальнейшее усложнении структуры Вселенной. Наши сегодняшние представления о Вселенной свидетельствуют о переходе к более сложным и разномасштабным структурам, находящимся в сугубо неравновесных состояниях. В такой диссипативной системе возможны процессы самоорганизации.
Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры. Скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик. Однородная и изотропная модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет. В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Ячеистая структура Вселенной.

Размер этих ячеек около 100-200 млн. световых лет. Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек - это место, где в дальнейшем образуются галактики.

Образование звезд.

Вселенная представляла газовое облако. Под действием гравитации - части облака сжимаются и одновременно разогреваются. При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода - родилась звезда. Водород - в гелий, и в желтых карликах типа нашего Солнца больше ничего не происходит. В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов. Сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа.
Дальнейшая судьба звезды обусловлена тем, что ее железное ядро сжимается (коллапсирует) до размеров 10-20 км, при этом в зависимости от первоначальной массы звезда превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. В то время как ядро звезды все больше разогревается, ее внешняя оболочка, состоящая из водорода, расширяется и охлаждается. Силы тяготения могут так сжать ядро, что оно взорвется, внешние области звезды резко разогреваются, и мы видим вспышку Сверхновой. При этом в пространство со скоростью около 10 тыс.км/с выбрасывается огромное количество синтезированных химических элементов, и теперь во Вселенной существуют газопылевые облака.
Более тяжелые элементы требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды - вспышка Сверхновой. Во Вселенной существуют газопылевые облака, из которых возможно образование звезд следующих поколений.

Видео - образование звезд.

Астрономические приборы

Оптический телескоп

Радиотелескоп «Аресибо» в Пуэрто-Рико – один из самых больших в мире. Расположенный на высоте 497 метров над уровнем моря, радиотелескоп ведет свои наблюдения за окружающими нас объектами Солнечной системы, начиная с 1960-х годов.

Галактики

Галактики - это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) примерно 10 11 звезд. Галактики, как и звезды, образуют группы и скопления. Средняя плотность видимого вещества оказывается одинаковой: (3х10 -31 г/см 3 ) .

Наша галактика – Млечный путь. Вид из Национального парка Улудаг в Турции.
Полоска Млечного пути протянулась по небу над размытыми огоньками искусственного света ночных деревень и городов, лежащих внизу
(все фотографии галактик взяты с сайта http://www.astronews.ru/) .

Спиральная галактика NGC 3370 находится на расстоянии 100 миллионов световых лет от Солнца и видна на небе в созвездии Льва. По размерам и структуре она похожа на наш Млечный Путь. Это превосходное изображение большой и красивой спиральной галактики, развернутой к нам своей плоскостью, получено на космическом телескопе Хаббл

Большое Магелланово Облако - карликовая галактика, расположенная на расстоянии около 50 килопарсек от нашей Галактики.
Это расстояние вдвое превышает диаметр нашей Галактики.

В 160 миллионах световых лет от нас находятся взаимодействующие галактики NGC 6769, 6770 и 6771, занимающие площадь на небосклоне всего лишь 2 угловые минуты.

Объекты Вселенной

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды (состоящие, в основном, из нейтронов) - очень компактные космические объекты размером около 10 км, с огромным магнитным полем (10 13 гаусс). Нейтронные звезды обнаружены в виде пульсаров (пульсирующие источники радио- и рентгеновского излучений), а также барстеров (вспышечные источники рентгеновского излучения).

Черная дыра

В черной дыре большая масса вещества заключена в малом объеме (например, чтобы Солнце стало черной дырой, его диаметр должен уменьшится до 6 км). По современным представлениям, массивные звезды, заканчивая свою эволюцию, могут сколлапсировать в черную дыру.
Помимо черных дыр, ученые обсуждают возможность существования «кротовых нор» - областей сильно искривленного пространства, но в отличие от черной дыры ее поле не настолько сильное, чтобы оттуда нельзя было выйти. Такие «норы» могут соединять отдаленные области пространства и находиться вне нашего пространства, в неком суперпространстве. Есть предположения, что эти «норы» могут соединять нас с другими вселенными. Правда, далеко не все специалисты считают, что такие объекты реально существуют, но физические законы не запрещают их наличие.

Квазары - квазизвезды - ядра галактик и представляют собой сверхмассивные черные дыры.

Будущее Вселенной.

Physicists have a good tradition,
every 13.7 billion years they get
together and build a "Large Hadron Collider."

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием? Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения). Рассчитанное критическое значение плотности составляет
r кр =10 -28 г/см 3 , а экспериментальное значение r =3x10 -29 г/см 3 , т.е меньше критического значения.

Но... оказалось, что все не так просто, поскольку мы не знаем точно плотность (массу) Вселенной.

Как определить массу, а следовательно и плотность Вселенной?

Темные тайны Вселенной.

"Тёмной" материей ученые называют вещество, оказывающее ощутимое гравитационное воздействие на крупные космические объекты. При этом никакого излучения от этого вещества не регистрируется, оттуда и термин "тёмная".
Темной материи должно быть примерно в шесть раз больше обычного вещества. Поэтому ученые считают, что галактики и галактические скопления окружены гигантскими гало темной материи, которая состоит из частиц, очень слабо взаимодействующих с обычным веществом.
Считается, что темная материя состоит из особых гипотетических cлабовзаимодействующих массивных частиц–вимпов (WIMP – weakly interacting massive particle). Вимпы полностью невидимы, поскольку нечувствительны к электромагнитным взаимодействиям, главным в нашей повседневной жизни.
Темная энергия. Вселенная все время преподносит сюрпризы: оказалось, что помимо темной материи, существует и темная энергия. И эта новая, загадочная темная энергия неожиданно связана с будущим развитием Вселенной

Сегодня ученые говорят о новейшей революция в космологии.

В 1998 г. при наблюдении поведения очень отдаленных сверхновых типа Ia (с примерно одинаковой светимостью, в 4 млрд раз превышающей светимость Солнца), расположенных на расстояниях более 5 млрд световых лет, астрономы получили неожиданный результат. Оказалось, что изучаемый космический объект удаляется от нас все быстрее и быстрее, как будто что-то отталкивает его от нас, хотя гравитация должна была замедлять движение сверхновой.
Сегодня можно считать установленным, что скорость расширения нашего Мира не падает, а увеличивается.
Для объяснения этого эффекта ученые ввели понятие антигравитации, которая связана с наличием некоего поля космического вакуума. Энергию вакуума принято называть темной энергией, и она не излучает, не отражает и не поглощает света, ее невозможно увидеть – действительно, «темная энергия» в том смысле, что все скрыто во мраке. Темная энергия проявляет себя только тем, что создает… антитяготение и на ее долю приходится приблизительно 70% полной энергии мира (!!!).

Итак, из чего сделана Вселенная? В древности считали (Аристотель), что все в мире состоит из четырех стихий - огня, воды, воздуха и земли. Сегодня ученые говорят о четырех видах энергии:
1. Энергия космического вакуума, на которую приходится приблизительно 70% всей энергии Вселенной.
2. Темное вещество, с которым связано примерно 25% всей энергии Вселенной.
3. Энергия, связанная с «обычным» веществом, дает 4% всей энергии Вселенной. (Обычное вещество - это протоны, нейтроны и электроны; это вещество принято называть барионным (хотя электроны к барионам, т.е. тяжелым частицам, и не относятся). Число барионов во Вселенной неизменно: одна частица на кубический метр пространства.
4. Энергия различных видов излучений, вклад которых весьма мал - 0.01%. Излучение - это фотоны и нейтрино (а возможно, и гравитоны); в ходе космологического расширения излучение охладилось до очень низких температур - около 3 К (фотоны) и 2 К (нейтрино). Полное число фотонов и нейтрино неизменно и составляет приблизительно одну тысячу в каждом кубическом сантиметре пространства. Излучение почти идеально равномерно заполняет весь объем Вселенной,

Современные наблюдательные данные позволяют говорить, что на протяжении первых 7 млрд лет после Большого взрыва гравитирующая материя (как «обычная», так и темная) превалировала над темной энергией и Вселенная расширялась с замедлением скорости. Однако по мере расширения Вселенной плотность барионной и темной материи уменьшалась, а плотность темной энергии не изменялась, так что в конце концов антигравитация победила и сегодня она управляет миром.

Вывод- Вселенная будет расширяться неограниченно долго

Возникает естественный вопрос – как долго это будет продолжаться? Однозначно ответить на вопрос сегодня, по-видимому, невозможно. Если темная энергия не превратится во что-либо другое, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. В противном случае расширение может смениться на сжатие. Тогда все будет определяться тем, выше или ниже критической величины окажется плотность вещества во Вселенной. Однако сегодня рассматриваются и другие подходы к эволюции Вселенной.
Сравнительно недавно физики предложили новую и весьма экзотическую модель вечно пульсирующей Вселенной.
Вернемся к вопросу: "Как образовалась Вселенная?"

Итак, ученые выдвигают теории, что развитие Вселенной началось с "первоначального вещества" с плотностью 10 36 г/см 3 с температурой 10 28 К. "Частицы" в этом первоначальном сгустке обладают огромной кинетической энергией, и вещество начинает расширяться, при этом температура и плотность Вселенной непрерывно уменьшаются. «Частицы» в горячем первоначальном сгустке обладают огромной кинетической энергией, и вещество начинает расширяться, при этом температура и плотность Вселенной непрерывно уменьшаются. Спустя малую долю секунды после рождения Вселенная как горячий суп из элементарных частиц - кварков и лептонов (кварковый суп). Вселенная расширялась и поэтому охлаждалась, благодаря самоорганизации в ней возникали новые структурные образования: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой нами части Вселенной содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд. Жизнью галактик управляет загадочная темная материя, которая с помощью гравитации удерживает звезды галактик вместе. А Вселенной как целым «дирижирует» еще более загадочная темная энергия, которая все быстрее и быстрее «расталкивает» Вселенную, что приведет к ее неминуемой гибели (!?).

Возможность зарождения Вселенной из "ничего". В целом Вселенная электронейтральна, поэтому она могла родиться из нулевого заряда. Простая аналогия: Энергия "ничего" равна нулю, но и энергия замкнутой Вселенной равна нулю, поэтому Вселенная возникла из "ничего".

Спасибо, что ознакомились с еще одной интересноой темой. Теперь стало ясно, что можно залезть по этим ступеням к вершинам знаний.

Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».

Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие - откровенно фантастические.

Космология и ее предмет

Современная космология - наука о структуре и развитии Вселенной - рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.

Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.

Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:

1. Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли
2. Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.

Креационизм - теория создания мира Творцом

Как следует из названия, креационизм (творение) - это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.

Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.

Чем отличаются научные и религиозные теории

Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца - природа, а взамен сотворения - происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.

Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.

В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:

• В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
• Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.

Кант и его космологическая модель

Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.

Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.

На основании о возможном возникновении жизненных форм была позднее разработана теория Дарвина. Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.

Размышления Эйнштейна

В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной.

Модель Вселенной - по Эйнштейну - имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.

Характеристиками пространства такой модели становятся:

• Трехмерность.
• Замыкание самого себя.
• Однородность (отсутствие центра и края), в которой равномерно располагаются галактики.

А. А. Фридман: Вселенная расширяется

Создатель революционной расширяющейся модели Вселенной, А. А. Фридман (СССР) построил свою теорию на основании уравнений, характеризующих общую теорию относительности. Правда, общепринятым мнением в научном мире того времени была статичность нашего мира, поэтому на его работы не было обращено должного внимания.

Через несколько лет астрономом Эдвином Хабблом было сделано открытие, давшее подтверждение идеям Фридмана. Было обнаружено удаление галактик от находящегося рядом Млечного пути. Вместе с тем неопровержимым стал факт сохранения пропорциональности скорости их движения расстоянию между ними и нашей галактикой.

Это открытие объясняет постоянное «разбегание» звезд и галактик по отношению друг к другу, что приводит к выводу о расширении мироздания.

В конечном счете выводы Фридмана были признаны Эйнштейном, впоследствии он упоминал о заслугах советского ученого как основателя гипотезы о расширении Вселенной.

Нельзя сказать, что существуют противоречия между этой теорией и общей теорией относительности, однако при расширении Вселенной должен был быть изначальный импульс, спровоцировавший разбегание звезд. По аналогии со взрывом, идея получила название «Большой взрыв».

Стивен Хокинг и антропический принцип

Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным.

Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга.

В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10 -53 .

Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 10 20 . Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.

Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы

Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.

Происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.

Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.

Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.

Состояние Вселенной	Временная ось	Предполагаемая температура
Расширение (инфляция)	От 10 -45 до10 -37 секунд	Больше 10 26 К
Появляются кварки и электроны	10 -6 с	Больше 10 13 К
Образованы протоны и нейтроны	10 -5 с	10 12 К
Возникают ядра гелия, дейтерия и лития	От 10 -4 с до 3 мин	От 10 11 до 10 9 К
Образованы атомы	400 тыс. лет	4000 К
Газовое облако продолжает расширяться	15 млн лет	300 К
Зарождаются первые звезды и галактики	1 млрд лет	20 К
Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер	3 млрд лет	10 К
Прекращается процесс рождения звезд	10-15 млрд лет	3 К
Энергия всех звезд истощается	10 14 лет	10 -2 К
Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы	10 40 лет	-20 К
Завершается испарение всех черных дыр	10 100 лет	От 10 -60 до 10 -40 К

Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.

Постоянное увеличение расстояния между галактиками - основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.

Проблематика теории

Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:

1. Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.
   Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием.
2. Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.

Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.

Космология и квантовая физика

Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.

Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель - это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.

Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.

Инфляционная модель

Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:

1. По какой причине Вселенная расширяется?
2. Что представляет собой большой взрыв?

С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.

Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.

Новые альтернативные теории

Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.

Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:

• Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
• Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены - три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.

1. Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества - существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.

Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.

Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.

Теория струн

Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной - Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, стандартной модели. Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:

• Кварки.
• Лептоны.
• Бозоны.

Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.

Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.

Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, теория струн заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.

Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.

Космология для школьников

Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем.

Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.