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.
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:
· • 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”
Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014 см3 . 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 104 см3 . 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.
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 101000000 см, 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.
Среди современных физиков – теоретиков имеются сторонники, как концепции самоорганизации,
10-09-2015, 22:16