Государственная Полярная Академия


Кафедра Геоэкологии

Реферат по дисциплине «Концепция современного естествознания»

На тему:

«Вселенная в атоме. Атомы Вселенной»
Выполнил: студент 271 гр.

Зарунский Станислав


Проверил: доцент кафедры геоэкологии,

кандидат биологических наук

Беляков В.П.


Санкт-Петербург

2010 г.

Введение

Со второй половины 19 века человечество совершило значительный скачек в астрономии и космологии. Быстрое развитие техники позволило создать мощнейшие телескопы, позволившие значительно расширить знания о вселенной. Тем самым представление человека о макромире очень сильно изменилось за последнее столетие. В 20 веке различными учеными на основе возросшего количества информации было предложено большое количество различных моделей вселенной. В то же время физика достигла своего рассвета, это позволило опытным путем все глубже проникать в структуру атома. Было открыто ядро атома, электроны, более мелкие субатомные частицы.

Однако, ни на каком этапе изучения вселенной или атома человек ни мог с уверенностью сказать о полноте своих познаний. А неизвестные вещи человеку очень часто свойственно уподоблять уже известным предметам или же другому непознанному. Возможно, именно отсюда и возникает представление о невероятной схожести микромира и макромира. И действительно, такое сравнение вполне обоснованно и имеет право на существование. Рассмотрим строение Вселенной: Вселенная состоит из примерно 200 млн. галактик. Галактики состоят из приблизительно 50000 Звёздных систем. Строение Звёздных систем рассмотрим на примере строения Солнечной системы: в центре Солнечной системы находится Солнце, вокруг которого по орбитам двигаются планеты, а вся Солнечная система окружена облаком Оорта. Теперь зададимся вопросом: «Что нам всё это напоминает?». А напоминает всё это строение тел. Любое тело состоит из молекул, а молекулы в свою очередь состоят из атомов. Строение атома похоже на строение Солнечной системы: в центре атома находится ядро, а вокруг ядра по орбитам движутся электроны и сам атом окружён электронным облаком. Электронное облако, как и облако Оорта в солнечной системе, является пределом, границей отделяющей его от других атомов.

Такое простое сравнение представляется логичным, но, все же, для полного понимания данной проблемы следует ознакомиться с историей формирования подобного представления и с точкой зрения современной науки.

Такое представление хоть и заманчиво, однако осмыслить его человеку достаточно трудно, ведь оно предполагает бесконечное деление материи, а представить себе бесконечность для человека очень трудно ввиду его собственной конечности и конечности окружающего его обыденного мира. Возможно именно поэтому теория Вселенной в атоме не находит широкого принятия в академической науке. А может быть она все-таки еще недостаточно обоснована? Это мы и попытаемся выяснить в данной работе.

История вопроса

Еще два с половиной тысячелетия назад перед философами древнего мира встал вопрос: что будет, если вещество дробить на все более мелкие кусочки? Есть ли пределы этому дроблению и каковы могут быть наименьшие размеры вещества?

Пока философы спорили над этими вечными вопросами, физики работали — дробили вещество на все более мелкие части. Вещество — на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы. При ближайшем рассмотрении оказалось, что и эти элементарные частицы не так уж элементарны — они, в свою очередь, состоят из множества других.

На сегодняшний день физики полагают, что наименьшими частицами Вселенной могут оказаться кварки — гипотетические частицы, существование которых ещё не доказано абсолютно достоверно. В случае же, когда кварки займут место наименьшей составляющей материи, их, несомненно, постараются разбить на составляющие. [1]

Есть ли вообще конец этой цепочке деления? Многих философов и ученых этот вопрос заводит в тупик. Ответить на него однозначно на сегодняшнем этапе нельзя. В случае, если конца делению нет, значит, мир непознаваем. А такой постулат противоречит материалистической теории. Если же предел существует, то мы приходим к исчерпанию всех свойств мира. Но ведь процесс познания, согласно той же материалистической философии, бесконечен.

Античность и Средневековье. Как мы уже говорили выше, подобные идеи рождались у человечества еще в античности. То, что материя делится до бесконечности, утверждал ещё Аристотель, Анаксагор же писал еще в 5 в. до н.э., что в каждой частице, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас». В средневековье такая множественность миров имела другой характер. В религиозном смысле эта аналогия понималась как соответствие бога и человека, созданного по образу и подобию божьему. [5, стр.12]

Новое время. Еще одним известным ученым и философом, поддерживающим подобную теорию, был Кант. В основу его космологических представлений легло признание существования бесконечного количества звездных систем, которые могут объединяться в системы более высокого порядка. В то же время каждая звезда со своими планетами и их спутниками образует систему подчиненного порядка. Вселенная, следовательно, не только пространственно бесконечна, но и структурно многообразна, поскольку в состав ее входят космические системы разных порядков и размеров. Выдвигая это положение, Кант приближался к идее о структурной бесконечности вселенной, которая получила более полное развитие в космологическом течении современника Канта, немецкого ученого И. Г. Ламберта. [5, стр. 13]

В рамках классической космологии этот парадокс пытались разрешить в модели иерархического строения Вселенной, разработанной Карлом Шарлье на основе идеи Ламберта. В 1908 году он опубликовал теорию строения Вселенной, согласно которой Вселенная представляет собой бесконечную совокупность входящих друг в друга систем все возрастающего порядка сложности. В этой теории отдельные звезды образуют галактику первого порядка, совокупность галактик первого порядка образует галактику второго порядка и далее до бесконечности. На основании такого представления о строении Вселенной Шарлье пришел к выводу, что в бесконечной Вселенной фотометрический парадокс устраняется, если расстояния между равноправными системами достаточно велики по сравнению с их размерами. Это приводит к непрерывному уменьшению средней плотности космического вещества по мере перехода к системам более высокого порядка. Для устранения парадокса требуется, чтобы плотность вещества падала быстрее, чем обратно пропорционально квадрату расстояния от наблюдателя. Такая зависимость плотности вещества в Метагалактике не наблюдается, поэтому современное объяснение парадокса Ольберса основано на других принципах (например, учитывается красное смещение, используется общая теория относительности). Однако сама идея о сложном строении Вселенной и вложенности систем разного уровня остаётся и развивается. [4, стр. 92-94]

Ирландский учёный Фурнье Д'Альба в 1907 г. в своей работе «Два новых мира. Инфрамир и супрамир» сделал предположение, что иерархическая лестница простирается также вовнутрь материи, в сторону уменьшения. У Фурнье Д’Альба знаменатель прогрессии, то есть отношение линейных размеров звезды и атома или размеров звезды супрамира и звезды данного уровня материи, являющейся атомом супрамира, выражается числом 10²². Такое соотношение пространственных размеров Фурнье Д’Альба распространил и на время. Одна секунда на «нулевом» уровне по мнению Фурнье Д’Альба равна сотням триллионов лет в инфрамире, а секунда в супрамире равна сотням триллионов земных лет. [4. стр. 95]

Все вышеперечисленные идеи были подтверждены в начале 20 века моделью атома Нильса Бора (завершенная и доработанная модель Резерфорда, одного из учителей Бора). Эту модель часто называют «планетарной» — в ней, подобно тому, как планеты вращается вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра. Но такой атом не может быть устойчивым: под действием кулоновского притяжения ядра каждый электрон движется с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам классической электродинамики, должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Количественный расчет показывает, что такая «радиационная неустойчивость» атома катастрофична: примерно за стомиллионную долю секунды все электроны должны были бы потерять энергию и упасть на ядро. Но в действительности ничего такого не происходит, и многие атомы вполне стабильны. Возникла проблема, которая могла показаться неразрешимой. И она действительно не могла быть разрешена без привлечения радикальных новых идей. Именно такие идеи и были выдвинуты Бором. [1]

Он утверждал, что (вопреки законам механики и электродинамики) в атомах существуют такие орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают. Излучение же происходит только при переходе электрона с одной устойчивой орбиты на другую, и вся освобождающаяся при этом энергия уносится одним квантом излучения. Именно введение Бором такого понятия, как орбиталь, только по которой могут двигаться электроны вокруг ядра, еще больше заставили весь мир задуматься о сходстве процессов микромира и макромира. [2,стр. 33-34]

Разрабатывали эту проблему и Российские ученые. Известный во всем мире советский физик А.А. Фридман допускал такое множество миров в атомах и говорил об их замкнутости на самих себе, о том, что все внутри них относительно и что даже свет может идти по искривленной траектории и вернуться к своему источнику так и не вырвавшись наружу. Академик А. А. Марков, попытавшийся описать подобный мир математически, назвал такие образования фридмонами — в честь впервые указавшего на возможность их существования Фридмана. Кроме того, Марков утверждал, что атомы в зависимости от своей структуры могут быть не обязательно солнечными системами, это могут быть и галактики, и даже вселенные. [1]

Современные представления

Основные результаты в такой теории были получены в начале XXI века. Этому способствовал прорыв в исследовании Вселенной благодаря искусственным спутникам, современным средствам наблюдения — инфракрасным телескопам и компьютерный анализ накопленного материала, а также систематизация знаний в области элементарных частиц. Появилось все больше доказательств правдоподобности такой теории, хотя она до сих пор считается ненаучной и определяется как находящаяся лишь на стадии гипотез так как она противоречит основному господствующему представлению о Вселенной.

В настоящее время над разработкой этой гипотезы, все же, работает достаточно большое количество ученых. Например американский физик Роберт Олдершоу, в ряде работ с 1978 года развивал модель космологического самоподобия. Он выделил три основных уровня материи — атомный, звёздный и галактический уровни, причём два последних уровня ближе друг к другу, чем к атомному уровню. На данных уровнях материя сосредоточена в основном в виде нуклонов и звёзд, а звёзды также в своём большинстве входят в состав галактик. Олдершоу отмечает, что подавляющее количество вещества в космосе содержится в самых лёгких элементах — в водороде и в гелии, а на уровне звёзд в — в звёздах-карликах с массами 0,1 — 0,8 солнечных масс. Кроме этого, имеется много и других примеров подобия: например, отношение размеров самых больших атомов к размеру нуклона того же порядка, что и отношение размера больших звёздных систем к размеру нейтронной звезды. Кроме того, он установил, что атомы демонстрируют зависимость между радиусами и периодами колебаний электрона, очень похожую на закон Кеплера для планет. Им были систематизированы и обработаны данные о изменениях во Вселенной и атомах и он установил, часто наблюдаются выбросы материи одинаковой формы в звёздных и галактических системах. Он установил, что зависимости между спином и массой, между магнитным моментом и спином имеют одинаковую форму у атомных и звёздных систем. [3]

Определение коэффициентов подобия по массе, размерам и времени протекания процессов между атомными и звёздными системами Олдершоу осуществляет через сопоставление Солнечной системы и атомов. При этом водороду соответствуют звёзды с массами порядка 0,15 солнечных масс. В результате такого сопоставления становится возможным делать достаточно точные предсказания масс и размеров звёзд, галактик, размера протона, периодов вращения галактик и так далее.

Другим ученым, поддерживающим данную теорию является корейский исследователь Юн Пио Янг, который в своей работе «Фрактальная Космология» ( Фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба) пришел к выводу, что атомные системы подобны галактическим. Он также критикует теорию Большого взрыва в связи с логическим противоречием — на больших масштабах соседние космические объекты никогда не совершат более одного оборота друг возле друга из-за постоянного расширения Вселенной, невзирая на гравитационную связь между ними. Исходя из идеи рекурентной космологии, путём сравнения размеров ядер галактик и атомных ядер, галактик и атомов, скоплений галактик и молекул определяется коэффициент подобия по размерам, с величиной приблизительно 10³⁰. Такое же значение выводится и для коэффициента подобия по времени, связывающего длительности однотипных процессов в атомных и галактических системах.

Очень часто ученые походили к подобному пониманию вселенной при опровержении господствующей гипотезы. Таким образом Леонард Пляшкевич и Мира Пляшкевич в своей работе рассматривали основные постулаты варианта космологии, альтернативной гипотезе Большого взрыва. Авторами была сделана попытка выявить единый принцип устройства микро и макрокосмоса. Для достижения этой цели используются методы преобразования подобия и размерностей физических величин. Гравитационное поле рассматривается в плане поля Фарадея-Максвелла. Отказ от гипотезы Большого взрыва и интерпретации красного смещения в спектрах далеких галактик, как доплеровского эффекта, позволяет развивать иерархическую модель Вселенной. Затронута проблема сосуществования обычной материи и антиматерии. Целью их работы является продемонстрировать теоретическую возможность и право на существование теории вложенных миров. [6,стр.45-47]

Сергей Сухонос в своих работах («Масштабная гармония Вселенной» и «Структура устойчивых уровней организации материального мира») показал существование отдельных материальных образований, расположенных на оси размеров 13 группами через равные интервалы в логарифмическом масштабе. Наибольший рассматриваемый размер принадлежит Метагалактике, наименьший — гипотетической частице максимону, на двадцать порядков меньшей нуклона. Между ними находятся все известные объекты, свойства которых периодически повторяются с отношением размеров около 10²⁰. Сухонос обращает внимание на явления фрактальности в природе как на привычном нам уровне, так и на микро и макро уровнях: спиральные и эллиптические галактики; субкарлики как первичные звёзды Галактики с дефицитом тяжёлых элементов, и обычные звёзды главной последовательности; планеты внешние и внутренние; процессы синтеза и деления, моноцентрические и полицентрические структуры на разных уровнях материи. Для объяснения указанных закономерностей Сухонос привлекает идею о четвёртом, масштабном измерении и соответствующем взаимодействии, а также волновые представления. [6,стр.47]

Основные постулаты современной теории Вселенной в атоме

Из всего вышесказанного видно, что данная теория имеет долгую историю и достаточную доказательную базу. Поэтому будет уместным охарактеризовать ее и упомянуть основные постулаты, выдвинутые ей. Она является в данный момент целым научным представлением о мироздании. Её принято называть фрактальной теорией или теорией бесконечной вложенности материи. Она обычно противопоставляется атомизму (как учению, предполагающему существование наименьшей неделимой частицы, которой, вопреки названию этого направления, уже не является атом) и является альтернативной философской, физической и космологической теорией. Она основывается на индуктивных логических выводах о строении наблюдаемой материальной динамичной Вселенной. Метафизическая школа, изучающая данную теорию сосредотачивается на фундаментальных организационных принципах природы и называет данную концепцию дискретная фрактальная парадигма. Она подчеркивает иерархическую организацию систем природы от наименьших наблюдаемых элементарных частиц до наибольших видимых кластеров галактик. Предложенная этой теорией фрактальная парадигма также выдвигает на первый план тот факт, что глобальная иерархия природы является весьма стратифицированной в дискретные уровни материи, из которых наиболее выделяющимися являются Атомные, Звездные и Галактические уровни. Еще один важный принцип фрактальной парадигмы − это то, что космологические уровни являются строго самоподобными, так что для каждого класса объектов или явлений в данном масштабном уровне есть аналогичный класс объектов или явления в каждом другом космологическим уровне. Самоподобные аналоги объектов и явлений из различных уровней имеют совпадающую морфологию, кинематику и динамику и обладает одними и теми же свойствами и признаками. Их характеристики изучались и были выведены следующие постулаты. [5,стр. 34-36]

Ввиду своей специфики в данной теории отсутствуют элементарные частицы материи как таковые (она, конечно, не отрицает существования протонов, кварков или еще меньших единиц, однако она не утверждает минимальность их размера), вещество бесконечно делимо, в противоположность теории атомизма, находящей минимальную единицу материи.

Согласно Фрактальной теории, Вселенная состоит из бесконечного числа вложенных фрактальных уровней материи с подобными друг другу характеристиками. Каждый уровень материи включает в себя носители с определенным спектром размеров и масс. Материя самоорганизуется в стабильные состояния и вообще для каждого уровня такой структуры характерна стабильность и нейтральность.

Ход времени гораздо быстрее на микроуровне и медленнее на макроуровне. [5,стр. 37]

Каждый тип «элементарных» частиц (электроны, нуклоны и др.) не состоит из строго одинаковых по массе и размеру частиц, также это свойственно и солнечным системам, и галактикам.

Вселенная вечная, при этом носители материи постоянно рождаются и затем трансформируются в носители своего или других уровней. Тем самым теория выходит за пределы не только атомизма, но и Большого Взрыва, ограничивающего историю мироздания моментом возникновения Вселенной. Тем самым данная теория помогает решить самый насущный и сложный вопрос для приверженцев теории Большого Взрыва: «Что было перед зарождением Вселенной?»

Согласно теории вложения материи пространство имеет дробную размерность, стремящуюся к 3, точное число зависит от строения материи и её распределения в пространстве. Время в данной теории — самостоятельная от пространства координата, она является производным от скорости движения материи. Действие сил гравитации и электромагнетизма может быть объяснено модифицированной теорией Фатио-Лесажа. Предполагается, что электромагнитное поле является гравитационным полем нижележащего уровня материи. [5,стр. 40]

Заключение

На современном этапе рассмотренная нами теория из умозрительных представлений античности выросла в стройную и логически обоснованную теорию, имеющую достаточное количество последователей, которая, однако, не имеет достаточной доказательной базы чтобы стать главенствующей в научном мире. Возникнув как попытка объяснить неизведанное, она до сих пор занимает умы как ученых, так и обывателей своей невероятностью с одной стороны и своей теоретической возможностью с другой стороны.

Однако, на современном уровне подойти к разгадке тайны Вселенной и материи этой Вселенной не представляется возможным, человечество упирается в безграничность одного уровня и бесконечную микроскопичность другого уровня, и, вполне возможно, эта теория так и останется навсегда на уровне гипотезы с большей или меньшей доказанностью. И даже в случае ошибочности, науке она дала очень много. Подобная аналогия помогла понять множество физических явлений и осмыслить те вещи, которые обыденным мышлением быть осмысленны не могут. Поэтому важность ее отрицать не стоит в любом случае.

Список использованной литературы

1. 
   Зигуненко С.Н. «Как устроена машина времени?» //Знак вопроса №5 1991 г. (http://www.bibliotekar.ru/znak/591-14.htm)
   
2. 
   Пиблс П. «Физическая космология», М.:1975 г.
   
3. 
   Райт Н. «Космология», 2005 г. (http://cosmo.labrate.ru/cosmolog.htm)
   
4. 
   Самин Д.К. «100 великих научных открытия», М.:2002 г.
   
5. 
   Сиротенко, Б. М. «О подобии микро- и макромира», М.: 1990 г.
   
6. 
   Хайтун С.Д. «От эргодической гипотезы к фрактальной картине мира: рождение и осмысление новой парадигмы», М.:2007 г.