В дальнейшем некоторые положения теории Н. Бора были дополнены и переосмыслены. Наиболее значительным изменением стало введение понятие об электронном облаке, которое сменило понятие об электроне только как частице. Позже теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.Основой современной теории строения атома является планетарная модель, дополненная и усовершенствованная. Согласно данной теории, ядро атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейронов (не имеющих заряда частиц). А вокруг ядра по неопределённым траекториям движутся электроны (отрицательно заряженные частицы).
3. Мегамир: космологические концепции.
Мегамир — мир объектов космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления. И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую все небесные тела, диффузную (диффузия – рассеяние) материю, существующую в виде разобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.
Космология – наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяется от философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:
· Вселенная существовала всегда, это «мир в целом» (универсум).
· Вселенная стационарна (неизменна), изменяются только космические системы, но не мир в целом.
· Пространство и время абсолютны. Метрически пространство и время бесконечны.
· Пространство и время изотропны (изотропность характеризует одинаковость физических свойств среды по всем направлениям) и однородны (однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной).
Современная космология основана на общей теории относительности и поэтому ее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.
В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красного смещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра, что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея о нестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулись проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующий этап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова (1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разных стадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт – остаток далекого прошлого).Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере.
По способу существования – модель «расширяющейся Вселенной» и модель «пульсирующей Вселенной».В зависимости от кривизны пространства различают – открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутая бесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в ней Вселенная конечна, но неограниченна, безгранична.Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породил несколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, если Вселенная бесконечна, то она конечна.
1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечной протяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удаление туманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории «красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышать скорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростью распространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большей скоростью.
2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис о бесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно закону освещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света по мере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречит эмпирическим данным.
3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное число космических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит к бесконечному ускорению, что не наблюдается.
4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть» Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению с обратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическому равновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временной структуры Вселенной.
1. Космологические модели Вселенной.
Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности, и поэтому ее в отличие от прежней, классической, космологии называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл (1889—1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства-времени.Новый этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888—1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление «разбегания галактик», свидетельствующее о расширении Вселенной. В связи с этим на первый план выдвигаются именно проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.Наконец, третий период развития космологии связан с исследованием физических процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Начало им положили работы известного американского физика Г.А. Гамова (1904—1968), русского по происхождению. В них он пытался раскрыть картину происхождения химических элементов во Вселенной.Особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере ее моделей.Не стационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из стадий так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. ее свойства не зависят от направления.Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.
Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами. К ним добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми.В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства-времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества. С точки зрения общей теории относительности кривизна пространства-времени, как мы знаем, определяется распределением тяготеющих масс. Но независимо от этого модели можно рассматривать и чисто геометрически.В зависимости от кривизны пространства-времени различают:
открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, а расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной;
замкнутую модель с положительной кривизной, в которой Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы. Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной необходимо допустить, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям, которые трудно обнаружить где-либо в мире. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 1093г/см3, | огромная величина, которую трудно даже вообразить. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15—20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что после 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и анти- нейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и| нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/з гелия.
2. Происхождение и эволюция Вселенной
Происхождение и развитие Вселенной. Изучая разбегания галактик и пытаясь как-то объяснить этот феномен с позиций теории расширения Вселенной, ученые в конечном итоге пришли к выводу, что когда-то Вселенная возникла из очень плотного состояния, в результате своеобразного взрыва: энергия как будто внезапно выплеснулась (подобно тому, как это бывает, когда мы откупориваем газированную воду) из какого-то далекого от современного понимания состояния, породив тем же наш с вами мир. Это грандиозное событие, силу которого не в состоянии представить человек, в науке называют "Большим Взрывом". Часто применяется английское название космологического явления - Биг Бенг (BigBang), аналогичная по содержанию нашему сроку. Хотя момент рождения нашей Вселенной называем Большим Взрывом, однако стоит отметить, что с обычным взрывом он не имеет ничего общего. Обычный взрыв происходит в определенное мгновение и в определенном месте пространства и в отдельных случаях действительно может быть грандиозным. Однако к моменту Большого Взрыва не было ни пространства, ни времени. Пространство и время возникли после Большого Взрыва вместе со Вселенной, которая расширялась. А потому сравнивать событие рождения Вселенной с обычным взрывом нельзя. В пользу теории Большого Взрыва есть несколько доказательств, среди которых, в частности, - существование микроволнового (реликтового) космического излучения и факт расширения Вселенной. К сожалению, знания, какие мы имеем сегодня, не позволяют проникнуть в первое мгновение после Большого Взрыва. Но зная современную температуру реликтового излучения и используя хорошо известны и проверенные в лаборатории законы физики, можно провести экстраполяцию в прошлое. Правомерность экстраполяции данных законов не вызывает сомнений вплоть до времени Планка (t = 10" 43 с) от начала расширения. Что же касается событий в промежутке времени, что меньше времени Планка, то здесь все известные законы физики применять нельзя. А потому мы не знаем, что происходило в крошечную долю секунды длительностью 1043 с, котораяминовала после Большого Взрыва. Теоретические расчеты показывают: в возрасте Ю-43 со Вселенная была еще удивительно маленькой и плотной, и за миллиардную долю секунды потому, из 10 34 с и до времени 10'32 с после Большого взрыва, удваивая свои размеры КАЖДЫЕ 10" 34 с, Вселенная уже расширилась от бесконечно малых размеров к размерам апельсина, то есть увеличился приблизительно в Ю30 раз. Размеры Вселенной увеличивались экспоненциально (в экономике подобные процессы называют инфляцией), потому теорию, которая описывает первые мгновения существования Вселенной, называют "инфляционной". Следствием такого стремительного расширения стало выделение колоссального количества энергии и образование элементарных частиц - кварков и антикварков, из которых уже через десятитысячную долю секунды образовались разнообразные частицы, среди которых протоны и нейтроны и их античастицы. Дальше Вселенная расширялась и охлаждалась. Еще через одну десятитысячную долю секунды за температуры 1012 К состоялась аннигиляция протонов с антипротонами и нейтронов с антинейтронами с образованием фотонов. Но очевидно от самого начала концентрация частиц превышала количество античастиц приблизительно на одну миллиардную долю. Этот "остаток" стал строительным материалом для современного мира, а из фотонов, которые образовались во время аннигиляции, в значительной степени складывается реликтовое излучение. Через 1 с после Большого Взрыва за температуры Ю10 К Вселенная стала прозрачной для нейтрино, в то время как протоны, нейтроны, электроны и позитроны были перемешаны с фотонами. Через 3 с за снижение температуры к 3-Ю9 К электроны проанилигилировали с позитронами, а через 3 минуты за температуры 3-Ю8 К началось образование первых химических элементов - дейтерия, гелия, лития. Впервые реакции, которые происходили на этом этапе, еще в 40-х годах XX ст. изучал Дж. Гамов - американский физик и астрофизик украинского происхождения (нар.в г. Одесса), который собственно и предложил теорию "горячей Вселенной". Интересно, что массовая часть водорода (75-78%) и гелия (25- 22%), определенная через спектральный анализ химического состава зрение и туманностей в нашей Галактике, хорошо согласуется с выводами теории и подтверждает ее. Таким образом, близко 90% из всех имеющихся в наше время ядер гелия образовались в первые мгновения существования Вселенной и только 10% -впоследствии в зорях. В следующие 300 ООО лет заметных изменений не происходило. Все это время Вселенная была непрозрачной для света, потому что электроны, протоны, ядра гелия и, в значительно меньшем количестве, ядра лития, из которых состояла первобытная плазма, непрерывно поглощали, излучали и рассеивали фотоны, не давая им распространяться свободно. Но в конечном итоге - остатков, при дальнейшем расширении, когда Вселенная охладела к температуре около 3300 К, а расстояния между частицами стали достаточно большими, фотоны перестали разбивать нейтральные атомы водорода и гелия, которые образовывались, и плазма превратилась в смесь нейтральных атомов этих элементов. От этого момента излучение отделилось от вещества, стало свободно распространяться во Вселенной, и Вселенная стала прозрачной для света. В следующие миллионы лет под действием сил притяжения вещество стало концентрироваться в отдельные сгустки протогалактики, в которых, в свою очередь, приблизительно через миллиард лет после Большого Взрыва начали образовываться первые звезды.
3. Происхождение Солнечной системы и Земли.
Решение вопроса о происхождении солнечной системы встречает основную трудность в том, что другие подобные системы в других стадиях развития мы не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем сравнивать. Правда, около некоторых ближайших звезд, по-видимому, существуют планеты, ибо эти звезды обнаруживают еле заметные периодические обращения около некоторого центра масс. Их невидимый спутник имеет очень малую массу и является, очевидно, планетой или группой планет. Но больше этого пока ничего сказать нельзя. Однако это явление важно в том отношении, что говорит против исключительности солнечной системы и Земли в пространстве. Системы, подобные нашей солнечной системе, должны быть достаточно распространены, и их возникновение должно быть не делом случая, а закономерным явлением. Исторически для развития материалистического мировоззрения огромную роль играли первые научные предположения о происхождении солнечной системы. Первой была гипотеза немецкого философа Канта. В середине XVIII в. он изложил идею о возникновении солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в хаотическом движении. В 1796 г. французский ученый Лаплас подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности. Лаплас учел основные характерные черты солнечной системы, которые должна объяснить всякая гипотеза о ее происхождении: основная масса системы сосредоточена в Солнце; орбиты планет и спутников почти круговые и лежат почти в одной плоскости; расстояния между ними правильно возрастают; почти все планеты не только обращаются вокруг Солнца, но и вращаются вокруг своих осей в одном направлении.Позднейшее развитие науки добавило необходимость объяснить распределение момента количества движения в солнечной системе.Момент количества движения Солнца слишком мал в сравнении с суммарным моментом количества движения планет. Это было наиболее серьезное среди возражений против гипотезы Лапласа. В настоящее время все ученые пришли к выводу о том, что Земляникогда не была ни газовой, ни огненно-жидкой, а возникла из холодной газопылевой массы. По этой гипотезе,огромное холодное газопылевое облако, вращающееся вокруг Солнца, должно было сплющиваться. Это вызывалось столкновением частиц и обменом их энергией и количеством движения, что вело к распределению частиц по скоростям и по направлениям так, чтобы столкновения были возможно реже. Так, пыль распределилась в виде диска, имеющего толщину, в тысячу раз меньшую его диаметра. Орбиты частиц стали круговыми с движениями в одном направлении. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие. Быстрее всего росла масса крупнейших частиц. Так возникло несколько крупных тел — планет. Земля выросла до ее современной массы по расчетам за несколько сот миллионов лет. Земля, холодная на поверхности, стала разогреваться за счет радиоактивных элементов. Это привело к расплавлению земных.недр. Тяжелые элементы продиффундировали ВНИЗ, образовав ядро, а легкие образовали кору. В окружавшем зародыши планет рое частиц повторялся процесс слипания частиц и возникли спутники планет. Удары падающих на планеты тел привели планеты во вращение. В частях газо-пылевого диска, удаленных от Солнца, царила низкая температура и водород при формировании больших планет не улетучился. Сильный нагрев облака вблизи Солнца ускорял рассеяние водорода, и в планетах земной группы его почти не сохранилось. Наибольшую трудность представляет объяснение того, как первоначальное газопылевое облако могло окружить Солнце и получить момент вращения, имеющийся сейчас у планет. Английский ученый Хойл разработал гипотезу, по которой Солнце при рождении было сгустком в газопылевой туманности, содержавшей магнитное поле. Тогда при некоторых условиях момент количества движения быстро вращавшегося Солнца уменьшился из-за тормозящего действия магнитного поля, а у вещества диска увеличился и сохранился у планет. Солнце стало вращаться медленно. В настоящее время мы не можем еще даже приблизительно оценить, у какого количества звезд есть планеты, на скольких из них могла зародиться жизнь. На скольких она успела воспроизвести разумные существа и технику, допускающую возможность обмена по радио информацией с другими цивилизациями? Как часто в космосе встречаются цивилизации, способные на это одновременно с нами? Что в Галактике таких цивилизаций много, это несомненно при самых скупых подсчетах. Но чтобы такая цивилизация оказалась достаточно близкой к нам, чтобы имело смысл «разговаривать» с нею, это дело случая. Ведь радиосигналы между близкими звездами будут идти не менее чем десятки лет и столько же лет будет проходить до ответа. Быстрое развитие науки и техники скоро сделает эту проблему более ясной.Немецкий философ Эммануил Кассет в 1755 г. высказал идею происхождения Вселенной из первичной материи, состоящей из мельчайших частиц. Образование звезд, Солнца и других космический тел, по его мнению, произошло под воздействием сил притяжения и отталкивания в условиях хаотического движения частиц. Французский математик П. Лаплас (1796 г.) связывал образование солнечной системы с вращательным движением разряженной и раскаленной газообразной туманности, приведшим к возникновению сгустков материи -зародышей планет. По гипотезе Канта-Лапласа, первоначально раскаленная Земля охлаждалась, сжималась, что привело к деформации земной коры.По гипотезе О. Ю. Шмидта (1943 г.) планетная система образовалась из пылевой и метеорной материи при попадании ее в сферу Солнца. Первоначально холодные Земля и другие планеты постепенно разогревались под воздействием энергии радиоактивного распада гравитационных и других процессов, а затем остывали.Советский астроном В. Г. Фесенков в 50-е годы предложил решение проблемы с точки зрения образования Солнца и планет из общей среды, возникшей в результате уплотнения газопылевой материи. При этом предполагалось, что Солнце образовалось из центральной части сгущения, а планеты -из внешней частей.По современным представлениям, тела Солнечной системы формировались из первично холодной космической твердой и газообразной материи путем уплотнения и сгущения до образования Солнца и прото планет. Астероиды и Метеориты считаются исходным материалом планет Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, и Марс -небольшие по размерам; высокая плотность, малая масса атмосферы, небольшая скорость вращения вокруг своей оси); а кометы и метеоры -планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон -огромные размеры, низкая плотность, плотная атмосфера с H2, Ge и метаном, высокая скорость вращения). Формирование современных оболочек Земли связывается с процессами гравитационной дифференциации первоначального однородного вещества.Самая передовая гипотеза -это объяснение возникновения Вселенной теорией Большого взрыва. В соответствии с этой теорией ~ 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньше булавочной головки. По математическим расчетам ее диаметр был равен, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние называется сингулярным -бесконечная плотность в точечном объеме. Неустойчивое исходное состояние вещества привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным -его период до 10-33 секунды после взрыва. В результате возникают пространство и время. Размеры Вселенной в несколько раз превышают размеры современной, вещество отсутствует.