ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОРБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «БрГУ»
Кафедра физики

Реферат на тему:

«МИКРО, МАКРО И МЕГАМИРЫ»
Выполнила:                                                         Филиппова И. А., К-06

Руководитель:                                                      Геращенко Л. А.
Братск, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Микромир: концепции современной физики ………………………………..4

     1.1 Атомистическая концепция строения материи

     1.2 Электроны и электронная оптика………………………………………...8

2. Макромир: концепции классического естествознания……………………..11

    3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции………………………………………………………………………………...17

    3.1 Современные космологические модели Вселенной………………........18

    3.2 Проблема происхождения и эволюции Вселенной……………….........21

    3.3 Структура Вселенной……………………………………………….........26

Заключение…………………………………………………………………........34

Список литературы……………………………………………………………...38
ВВЕДЕНИЕ.

     Основная цель современного естествознания - познание мира, формирование нашего личного мировоззрения. Сейчас главная функция современного естествознания - технический прогресс. Современный мир сформировался в ряде факторов, основной из которых Научно-технический Прогресс (НТП). Основные особенности современного мира определяются НТП.

      Научно-технический Прогресс -  основа современной цивилизации. Ему всего 300-350 лет. Именно тогда возникла индустриальная цивилизация. НТП пропитывает всю цивилизацию (деятельность, жизнь людей). Все связано с НТП, даже культура (создана индустрия размножения продуктов культуры).  

       НТП вещь двоякая: у него есть как положительные, так и отрицательные черты. Положительные - улучшение комфорта, отрицательные - экологические (комфорт ведет к экологическому кризису) и культурные (в связи с развитием средств общения  нет необходимости непосредственного контакта).

  Отношение к нему тоже двоякое: несмотря на усиленное развитие Научно-технического Прогресса, на уровне культуры нет подобного роста. Даже, напротив, есть полярность. Одни говорят, что наука хорошо, другие - плохо.

     Приведем результаты опроса  по отношению к науке в Англии.

      45 %  - больше добра.

      38 %  - уравновешено.

      11 %  - больше зла.

В настоящее время изучение естественной науки сконцентрировано на трех главных фронтах: 1) изучение очень большого - (занимается астрономия, астрономы наблюдают все более отдаленные объекты и пытаются составить представление о том, как выглядит населяемый нами мир в макрокосмосе); 2) изучение очень малого - (представляет собой мир атомов. Мы сами и все вокруг нас состоит из атомов, для нас представляет первостепенный интерес, как мы сложены); 3) изучение очень сложного (эта область принадлежит биологии). 



1.
Микромир: концепции современной физики.



 1.1 Атомистическая концепция строения материи.


 Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди­ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.


В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элемен­тов. Изучение радиоактивности было продолжено французски­ми физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

 История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

 Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома —положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как “изюм в пудинг”. Эта Идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

   В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. По мо­дели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая - до 150°. Э. Резер­форд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст­вие, это препятствие представляет собой ядро атома - положи­тельно заряженную микрочастицу, размер которой (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрица­тельный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электриче­ский заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг­нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче­ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показы­вает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказа­лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе­ристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос­нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных со­стояний (говоря языком планетарной модели, несколько ста­ционарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состоя­ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становит­ся понятным, почему атомы химических элементов не испус­кают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много­электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимы­ми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспе­риментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были свя­заны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движу­щегося в атоме электрона равна примерно 10^-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадле­жащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том слу­чае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравне­нию с размерами системы. Другими словами, следует учиты­вать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимо­сти от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного за­ряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связы­вающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило со­гласованность с экспериментальными данными.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чу­жеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час­тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз­вития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.



1.2 Электроны и электронная оптика.

Подлинная революция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки - электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов. Мы привыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны с поступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этого предмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц? Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не в меньшей мере, чем «настоящие», привычные волны, например, радио или световые. Но об этом ниже... Вместе с тем электроны ведут себя как настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, присущими различным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но и в быту в электронных лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров. Современная физика весьма подробно знает «анкетные данные» электрона. Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e^-10 CGSE) с массой 9,1e^-28 г, но физики тщательно обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: «классический радиус электрона составляет 10^-13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не по правилам «здравого смысла», то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теории электромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона с ростом скорости его движения. Во многих практических применениях электронных потоков, например в вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами, электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траектории и скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой.  Более подробный анализ анкетных данных электрона обнаруживает необычность ряда его свойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками и считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества в электроне» (m/V) = (9,1e^-28)/(4/3r³)10¹¹ г/см³ (!). Здесь мы считаем электрон шариком с радиусом r порядка 10^-13 см. Масса, заряд и некоторые другие постоянные, характеризующие электроны, известны уже с весьма высокой точностью. Вопрос о том, каким образом электрон удерживается как целое и не разлетается под действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата. Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно трудно сообщить большую скорость (например, порядка нескольких километров в секунду), то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость V=(2e/mU)0,56e⁷ см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить находиться в покое. Электроны в обычной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем. Отрицательное ускорение на пути s (например, при U100 кв.) при этом будет весьма велико: (v²)/(2s)10²³ см/сек² (!). Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1A соответствует поток электронов в 10¹⁹ частиц в секунду!). Итак, положение с электронами выглядит своеобразно: 1) есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого научились использовать; 2) мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научились проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть невооружённым глазом; 3) никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его действий; 4) с точки зрения «здравого смысла» и на основе сопоставления результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не тривиальным объектом: плотность электронного вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом, способным «противостоять» действию сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил.

2.
Макромир: концепции классического естествознания.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествозна­ния в XVI—XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естествен­ных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о струк­турных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начи­нать исследование нужно с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи от­носится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа пер­вой в истории науки физической картины мира — механиче­ской. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методо­логию нового способа описания природы — научно-теоре­тического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, кото­рые становились предметом научного исследования. Галилей писал: “Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука” [№5 с.38]. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде “Пробирные весы”, оказала решающее влияние на становление классического естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небес­ных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Нью­тоном и его последователями, сложилась дискретная (корпус­кулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсо­лютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представ­лялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространст­ве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно све­сти к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселен­ной как гигантского и полностью детерминированного меха­низма, где события и процессы являют собой цепь взаимозави­симых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Все­ленной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожий назвал эту веру в безграничную предсказуемость “основополагающим мифом классической науки”.

Механистический подход к описанию природы оказался не­обычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рам­ках механистической картины мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего уче­ния, считал свет потоком материальных частиц - корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что све­тящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществ­лялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформу­лированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала ана­логию между распространением света и движением волн на по­верхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предпола­галось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории, между пучками излу­ченных частиц, каковыми является свет, возникали бы столк­новения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исхо­дя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отраже­ние и преломление света.

Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, рас­пространяясь по прямой, обтекать препятствия, не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гра­нью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это воз­ражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно ви­деть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было на­звано дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что кор­пускулярная теория воспринималась безоговорочно даже, не­смотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции. Волновая теория света была вновь выдвинута в первые де­сятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом и француз­ским естествоиспытателем О. Ж. Френелем. Т. Юнг дал объяс­нение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помо­щью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волно­вое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объясне­ны только в рамках волновой теории и не поддавались объяс­нению на основе механической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказа­лись неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и по­ложили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспы­татель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное дей­ствие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное измене­ние в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие “силовые линии”. М. Фа­радей, обладавший талантом экспериментатора и богатым во­ображением, с классической ясностью представлял себе дейст­вие электрических сил от точки к точке в их “силовом поле”. На основе своего представления о силовых линиях он предпо­ложил, что существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и экспериментально обосновать новую опти­ку, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но достойна исследователя, который считал, что только тот нахо­дит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его рабо­ты стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высоко­развитые математические методы. Максвелл “перевел” модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие “поле сил” первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физиче­ский смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: “Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии” [№4 с.179]. Обобщив установленные ранее экспериментальным путем за­коны электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел сис­тему дифференциальных уравнений, описывающих электромаг­нитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически строй­ную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не “привязанного” к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Мак­свелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: элек­трическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от элек­трического. Поэтому если меняется со временем магнитное по­ле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространя­ясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исхо­дя из этого Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущ­ность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнит­ные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельство­вали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явле­ния, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо под­твердило гипотезу Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно ут­вердилось понятие поля не в качестве вспомогательной матема­тической конструкции, а как объективно существующей физи­ческой реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

• Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

• Вещество и поле различаются по своим физическим ха­рактеристикам: частицы вещества обладают массой по­коя, а поле — нет.

• Вещество и поле различаются по степени проницаемо­сти: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, пол­ностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказа­лись разрушенными представления классической физики о ве­ществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

 

3.
Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции.


Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень ве­лики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет.

Понятия “Вселенная” и “Метагалактика” — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие “Вселенная” обозначает весь существующий материальный мир; понятие “Метагалактика” — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему га­лактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеоб­разном стыке науки, религии и философии. В основе космо­логических моделей Вселенной лежат определенные мировоз­зренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.
3.1.
Современные космологические модели Вселенной.

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти та­кой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты [№6 с.101]:

• Вселенная — это всесуществующая, “мир в целом”. Кос­мология

познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к

условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не за­висят от

материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Из­меняться

могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, свя­занные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяго­тения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если сущест­вует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эво­люционирующей Вселенной.

Современные космологические модели Вселенной основы­ваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, со­гласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свой­ства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселен­ной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изо­тропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсаль­ным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовалась со всеми известными фактами.

Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае “пустой” Вселенной появились массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космического отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

  В 1992г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности  Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

  Решение уравнения А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств  Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого   взрыва.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик:  все галактики движутся от нас, причем со скоростью,  которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом..

3.2.
Проблема происхождения и эволюции Вселенной.

Как бы не решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам  Ж. Леметра, радиус Вселенной   в первоначальном состоянии  был 10^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла  10⁹⁶  г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная  представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А Фридмана Г. А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее “Космологией Большого взрыва”.

  Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет.  Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры” [№2 с.802-803].

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаи­модействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10¹² градусов по Кельвину, плотность 10¹⁴см³. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается не­которое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнит­ное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температу­ра 10¹⁰ градусов по Кельвину, плотность 10⁴см³. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная до­ля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10¹⁰ 3000 градусов по Кель­вину, плотность — с 10⁴ г/см³ до 10²¹ г/см³. Главную роль игра­ет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной на­чиная с момента 10^-45 с после начала расширения.

Сторонники инфляционной модели видят соответствие ме­жду этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии [№1 с.153-166].

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10^-8 см, а размер атомного ядра 10^-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10^-45 с до 10^-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспо­ненциальному закону. В этот период создавалось само про­странство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34. Вселенная раздулась от невообра­зимо малых квантовых размеров 10^-33 до невообразимо больших 10^1000000см, что на много порядков превосходит раз­мер наблюдаемой Вселенной — 10²⁸ см. Весь этот первоначаль­ный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осве­тившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после ан­нигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от веще­ства излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и эксперименталь­но обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все бо­лее сложных структур — атомов (первоначально атомов водоро­да), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в не­драх звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения — человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляци­онной модели и модели Большого взрыва касается только пер­воначального этапа порядка 10^-30 с, далее между этими моделя­ми принципиальных расхождений в понимании этапов косми­ческой эволюции нет. Различия в объяснении механизмов кос­мической эволюции связаны с расхождением мировоззренче­ских установок. Уже с самого начала появления идеи расши­ряющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее нача­лась борьба.

Первой стала проблема начала и конца времени существо­вания Вселенной, признание которой противоречило материа­листическим утверждениям о вечности, несотворимости и неуничтожимости и т.п. времени и пространства.

Каковы же естественно-научные обоснования начала и конца времени существования Вселенной?

Таким обоснованием является доказанная в 1965 г. амери­канскими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с рас­ширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сме­нится на сжатие - тогда возникнет обрыв линий времени в бу­дущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интер­претируется физиком Ф. Типлером как конец времени - Вели­кий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами “события” всего прошлого Вселенной.

Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Ма­териалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представля­ет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А. А. Фрид­мана математически момент начала расширения пространства выводится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популярной книге “Мир как пространство и время”, изданной в 1923 г., он говорит о возможности “сотворения мира из ни­чего”. Попытку разрешить одну из основных проблем мирозда­ния — возникновения всего из ничего — предприняли в 80-х гг. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на грави­тационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики считают, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту модель с помощью знаний и фантазии можно рассчитывать на компьютере, а вопрос остается открытым.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяс­нении причин космической эволюции. Если отбросить частно­сти, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная яв­ляется единственной реальностью, и никакой другой реально­сти помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описыва­ется в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упо­рядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Во­прос о цели космической эволюции в рамках концепции само­организации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существова­ние во Вселенной направленного номогенца — развития от простых систем ко все более сложным и информационно ем­ким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. В качестве дополнительного аргумента при­влекается антропный принцип, сформулированный английскими астрофизиками Б. Карром и Риссом.

Суть антропного принципа заключается в том, что сущест­вование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от чис­ленных значений фундаментальных физических констант — постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимо­действия и т.д.

Численные значения этих постоянных определяют основ­ные особенности Вселенной, размеры атомов, атомных ядер, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь была невоз­можной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направ­лена к появлению жизни. Конечная цель космической эволю­ции — появление человека во Вселенной в соответствии с за­мыслами Творца [№3 с.124].

Среди современных физиков – теоретиков имеются сторонники, как концепции самоорганизации, так и концепции  креационизма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики  делает насущной необходимостью разработку единой научно – технической картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры.
3.3.
Структура Вселенной.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным  межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на дынных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы  пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Пространственной моделью такой структуры может служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших выделенных объемах, но однородна в больших объемах.

Если брать не отдельные участки Метагалактики, а ее крупно масштабную структуру в целом, то, очевидно, что в этой структуре не существует каких то особых, чем- то выделяющихся мест  или направлений и вещество распределено сравнительно равномерно.

Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15  млрд. лет. Ученые считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галактик, которые сформировались на одной из начальных стадий расширения Метагалактики.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве  достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа:  эллиптические, спиральные, неправильные.

Эллиптические галактики – обладают пространственной формой  эллипсоида с разной степенью сжатия они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные галактики – представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – млечный путь.

Неправильные галактики – не обладаю выраженной формой в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В строении “правильных” галактик очень упрошено можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды.

Ядра галактик проявляют свою активность  в разных формах: в непрерывном  истечении потоков вещества; выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из около ядерной области.

В ядре галактики сосредоточенны самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.

Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной, кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной веще­ство в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, “звездная субстанция” составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселен­ной, до сотен тысяч — самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерыв­ного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рас­сеянной) материи.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, бла­годаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к даль­нейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой темпе­ратурой, к звездам — плотным плазменным телам с температу­рой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Ос­новная эволюция вещества во Вселенной происходила и проис­ходит в недрах звезд. Именно там находится тот “плавильный тигель”, который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. град. и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все от­делены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимо­действие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии угле­рода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой из­лучением звезд.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в ре­зультате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные (“мертвые”) звезды.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные сис­темы состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, об­ращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты не­которых кратных систем окружены общей оболочкой диффуз­ной материи, источником которой, по-видимому, являются са­ми звезды, выбрасывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы - звезд­ные скопления, которые могут иметь “рассеянную” или “шаровую” структуру. Рассеянные звездные скопления насчи­тывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления - многие сотни тысяч.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неиз­менными и вечно существующими. Через определенное коли­чество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеивают­ся силами галактического вращения.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как

роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве слу­чаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, пла­неты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: ка­ждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание законо­мерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.

О механизме образования планет в Солнечной системе так­же нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливав­шихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает ос­нование назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли. О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, вы­двинутых примерно 250 лет назад, до наших дней было пред­ложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостои­лась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исто­рический интерес.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Их теории вошли в науку как не­кая коллективная космогоническая гипотеза Канта—Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца об­разовалась в результате действия сил притяжения и отталкива­ния между частицами рассеянной материи (туманности), нахо­дящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Началом следующего этапа в развитии взглядов на образо­вание Солнечной системы послужила гипотеза английского фи­зика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что ко­гда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразо­валась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние меж­ду звездами, такое столкновение кажется совершенно неверо­ятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнит­ные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофи­зиком X. Альфвеном и английским астрофизиком          Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы. В соответствии с современными представлениями, первона­чальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались не­большие части этого облака. Гравитационная сила стала при­тягивать остатки газа к образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях — как раз там, где находятся планеты. Гравитаци­онная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгуще­ние падающего газа, и в результате образовались планеты. Ко­гда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повто­рился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невоз­можно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

Планеты.

Особый теоретический, а также практический интерес имеет для обитателей Земли вопрос о возникновении космических объектов, имеющих размеры планет.

Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс. Особенности планет как объектов мегамира можно понять в рамках общего космогонического процесса, в силу которого вблизи определенных звезд возникает система планет вращающихся вокруг них темных небесных тел.

Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга. И. Кант выдвинул гипотезу, согласно которой перед образованием планет Солнечной системы пространство, где теперь она существует, было заполнено рассеянной материей, находившейся во вращательном движении вокруг уже возникшего в виде центрального сгущения Солнца. С течением времени вследствие притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности) возникли планеты. И. Кант впервые выдвинул предположение, что Солнечная система не существовала вечно. Процесс ее возникновения он связывал с существованием сил взаимодействия, присущих частицам туманности. При этом гипотеза И. Канта не противоречила наблюдаемому расположению орбит планет Солнечной системы приблизительно и одной плоскости и существованию спутников.

Приблизительно через 50 лет после этого П. С. Лаплас выдвинул свою гипотезу, во многом сходную с предположением И. Канта. Космогоническая гипотеза П. С. Лапласа основывалась на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории И. Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая трудность, невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел. Гипотеза П. С. Лапласа получила широкое признание в первой половине XIX в., но потом оказалось, что ряд фактов не укладывается в ее рамки. Например, нельзя объяснить, почему Солнце теперь вращается вокруг своей оси относительно медленно, хотя во время сжатия оно должно было вращаться столь быстро, что от него за счет центробежной силы происходило бы отделение вещества.

Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы. Согласно современным представлениям, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях как раз там где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, в результате чего образовались планеты.

Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав таким образом системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В современной науке в основе представлений о строении мате­риального мира лежит системный подход, согласно которому лю­бой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образова­ние, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы. Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие “элементы” означает минимальный, далее уже неде­лимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности, изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новы­ми интегративными свойствами.

Свойства системы — не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Например, моле­кула воды Н²O. Сам по себе водород, два атома которого образу­ют данную систему, горит, а кислород (один атом) поддерживает горение. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

Итак, все природные объекты представляют собой упорядоченные, струк­турированные, иерархически организованные системы.

В естественных науках выделяются два больших класса мате­риальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организа­ции материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и пла­нетные системы, звезды и звездные системы — галактики, сис­темы галактик — метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации мате­рии относят системы доклеточного уровня; клетки как особый уровень биологической организа­ции, представленные в форме одноклеточных организмов и элемен­тарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы рас­тительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы, биосферу как всю массу живого вещества.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком ма­териальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы че­ловеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повсед­невного опыта.

Применяя системный подход, естествознание не просто выде­ляет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соот­ношение.

В науке выделяются три уровня строения материи.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблю­даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от  10^-8 до 10^-16 см, а время жизни — от бесконечно­сти до 10^-24 с.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и мил­лиардами лет. Микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

В настоящее время в области фундаментальной теоретиче­ской физики разрабатываются концепции, согласно которым объ­ективно существующий мир не исчерпывается материальным ми­ром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Утверждается, что объектами мира высшей реальности вы­ступают не материальные системы, а некие идеальные физические и математические струк­туры, которые проявляются в материальном мире в виде естественнонаучных законов.

Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, недостаточно для сущест­вования материального мира. Необходимо множество программ определяющих “поведение” и эволюцию материальных объектов. Подобно тому, как знание уравнений не обеспечивает решения за­дачи, для чего нужно еще и знание начальных условий, так и в об­щем случае, наряду с фундаментальными законами, должны суще­ствовать дополнительные к ним сущности — программы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гриб А. А. Большой взрыв: творение или происхождение? / В кн.: Взаимосвязь физической и религиозной картины мира. – Кострома: Изд. МИИЦАОСТ, 1996. – с.458.

2. Дубнищева Т. Я. Указ. Соч.

3. Идлис Г. М. От антропного принципа к разумному первоначалу / В кн.: Глобальный эволюционизм. – М.: Институт философии РАН, 1994. – с.386.

4. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвеще­ние, 1974. – с.458.

5. Кузнецов Б. Т. От Галилея до Эйнштейна. – М.: Наука, 1966. – с.275.

6. Мостепаненко А. М. Методологические и философские проблемы современной физики. – Л.: ЛГУ, 1977. – с.380.

7. www.bankreferatov.ru/subjects.htm

8. www.referat.ru