Концепции современного естествознания. Методические указания для студентов экономических специальностей (стр. 6 )

Вероятность попадания а-частиц в ядро и их отклонение на боль­шие углы очень мала, поэтому для большинства а-частиц фольги как бы не существовало.

Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии а-частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позво­ляющую но плотности потока а-частиц, налетающих на ядро, и изме­ренному числу частиц, рассеянных под некоторым углом, определить число N элементарных положительных зарядов +е, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что чис­ло N равно порядковому номеру элемента в периодической системе , то есть N = Z (для золота Z = 79).

Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положи­тельного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В нейтральном атоме должно содержаться также Z электронов. Суще­ственно, что число электронов в атоме, определенное различными ме­тодами, совпало с числом элементарных положительных зарядов в яд­ре. Это послужило проверкой справедливости ядерной модели атома.

Ядерная модель атома Резерфорда

Обобщая результаты опытов но рассеянию а-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил:

♦  атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для а-частиц;

♦  отклонения а-частиц на большие углы возможны только в том слу­чае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое иоле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и скон­центрированной в очень малом объеме массой.

Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил ядерную мо­дель атома: в ядре атома (области с линейными размерами~14 м) сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9%). Вокруг ядра в области с линейными размерами м (размеры атома оценены в молекулярно-кинетической теории) дви­жутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет лишь 0,1% массы ядра. Следовательно, электроны находятся от ядра на расстоянии отдо попе­речников ядра, то есть основную часть атома составляет пустое про­странство.

Ядерная модель атомов Резерфорда напоминает солнечную систе­му: в центре системы находится «солнце» — ядро, а вокруг него но орбитам движутся «планеты» — электроны, поэтому данную модель называют планетарной. Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравно­вешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра.

В 1914 г., через три года после создания планетарной модели атома, Резерфорд исследовал положительные заряды в ядре. Бомбардируя электронами атомы водорода, он обнаружил, что нейтральные атомы превратились в положительно заряженные частицы. Так как атом во­дорода имеет один электрон, Резерфорд решил, что ядро атома является частицей, несущей элементарный положительный заряд +е. Эту ча­стицу он назвал протоном.

Планетарная модель хорошо согласуется с опытами по рассеива­нию а-частиц, но она не может объяснить устойчивость атома. Рас­смотрим, например, модель атома водорода, содержащего ядро протон и один электрон, который движется со скоростью v вокруг ядра по круговой орбите радиуса г. Электрон должен по спирали падать на яд­ро, и частота его обращения вокруг ядра (следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изме­няться, то есть атом неустойчив, и его электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр.

В действительности оказывается, что:

а) атом устойчив;

б) атом излучает энергию лишь при определенных условиях;

в) излучение атома имеет линейчатый спектр, определяемый его строе­
нием.

Таким образом, применение классической электродинамики к пла­нетарной модели атома привело к полному противоречию с экспери­ментальными фактами. Преодоление возникших трудностей потребо­вало создания качественно новой — квантовой — теории атома. Одна­ко, несмотря на свою несостоятельность, планетарная модель и сейчас принята в качестве приближенной и упрощенной картины атома.

Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор () в 1913 г. создал первую кван­товую теорию атома, связав в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света.

В основу своей теории Бор положил три постулата, но поводу кото­рых американский физик Л. Купер заметил: «Конечно, было несколь­ко самонадеянно выдвигать предложения, противоречащие электро­динамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод».

Первый постулат {постулат стационарных состояний): в атоме электроны могут двигаться только но определенным, так называемым разрешенным, или стационарным, круговым орбитам, на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн (поэтому эти орбиты названы стационарными). Электрон на ка­ждой стационарной орбите обладает определенной энергией Еп.

Второй постулат {правило частот): атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной ста­ционарной орбиты на другую:

hv = Е1 - Е2,

где Е1 и Е2 — энергия электрона соответственно до и после перехода.

При Е{ > Е2 происходит излучение кванта (переход атома из одного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, то есть переход электрона с любой дальней на любую ближнюю от ядра орбиту); при E1< Е2 — поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Будучи уверенным, что постоянная Планка должна играть основную роль в теории атома, Бор ввел третий постулат {правило квантова­ния): на стационарных орбитах момент импульса электрона Ln = mevnrn кратен величине h = h/{2n), то есть

mevnrn = nh,n = 1, 2, 3, ...,

где h = 1,05 • 10~-34 Дж • с — постоянная Планка (величина h/{2n)) встречается столь часто, что для нее введено специальное обозначение п («аш» с чертой; в данной работе «аш»— прямое); те = 9,1 •кг — масса электрона; г„ — радиус п-й стационарной орбиты; vn — скорость электрона на этой орбите.

Полное описание состояния электрона в атоме, помимо энергии, связано с четырьмя характеристиками, которые называются кванто­выми числами. К ним относятся: главное квантовое число п, орбиталь­ное квантовое число /, магнитное квантовое число ть магнитное спи­новое квантовое число ms.

Волновая функция, описывающая движение электрона в атоме, представляет собой не одномерную, а пространственную волну, соот­ветствующую трем степеням свободы электрона в пространстве, то есть волновая функция в пространстве характеризуется тремя систе­мами. Каждая из них имеет свои квантовые числа: п, I, ть

Каждой микрочастице, в том числе и электрону, также свойственно собственное внутреннее сложное движение. Это движение может ха-рактеризоваться четвертым квантовым числом ms.

При движении электрона в атоме электрон заметно проявляет вол­новые свойства. Поэтому квантовая электроника вообще отказывает­ся от классических представлений об электронных орбитах. Речь идет об определении вероятного места нахождения электрона на орбите, то есть местонахождение электрона может быть представлено условным «облаком». Электрон при своем движении как бы «размазан» но всему объему этого «облака». Квантовые числа п и / характеризуют размер и форму электронного «облака», а квантовое число т, — ориентацию этого «облака» в пространстве.

В 1925 г. американские физики Уленбек и Гаудсмит доказали, что электрон также обладает собственным моментом импульса (спином), хотя мы не считаем электрон сложной микрочастицей. Позднее выяснилось, что спином обладают протоны, нейтроны, фотоны и другие элементарные частицы

Опыты Штерна, Герлаха и других физиков привели к необходимо­сти характеризовать электрон (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы. Отсюда для полного описания состоя­ния электрона в атоме необходимо задавать четыре квантовых числа: главное — п, орбитальное — /, магнитное — ть магнитное спиновое число — ms.

ш

В квантовой физике установлено, что так называемая симметрия или асимметрия волновых функций определяется спином частицы. В зависимости от характера симметрии частиц все элементарные час­тицы и построенные из них атомы и молекулы делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, ней­троны) описываются асимметричными волновыми функциями и под­чиняются статистике Ферми—Дирака. Эти частицы называются фермионами. Частицы с целочисленным спином, в том числе и с нулевым, такие как фотон (15 =1) или л-мезон (Ls = 0), описываются симмет­ричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе— Эйнштейна. Эти частицы называются бозонами. Сложные частицы (на­пример, атомные ядра), составленные из нечетного числа фермио-нов, также являются фермионами (суммарный спин — полуцелый), а составленные из четного — бозонами (суммарный спин — целочис­ленный).

Многоэлектронный атом. Принцип Паули

В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze} электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг яд­ра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:

► 1. В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, оп­ределяемых набором четырех квантовых чисел: главного п, орби­тального /, магнитного т и магнитного спинового ms.

► 2. В состояниях с определенным значением могут находиться в ато­ме не более 2п2 электронов. Значит, на первой оболочке («орбите») могут находиться только 2 электрона, на второй — 8, на третьей — 18 и т. д.

Таким образом, совокупность электронов в многоэлектроном ато­ме, имеющих одно и то же главное квантовое число п, называют элек­тронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны располагаются по под оболочкам, которые соответствуют определенному значению /. Так как орбитальное квантовое число / принимает значения от 0 до (п - 1), число под оболочек равно порядковому номеру оболочки п. Количество электронов в под оболочке определяется магнитным кван­товым числом т1 и магнитным спиновым числом ms.

Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современ­ной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать перио­дическую систему элементов Менделеева. Без принципа Паули невоз­можно было бы создать квантовые статистики и современную теорию твердых тел.

Квантово-механическое обоснование Периодического закона

В 1869 г. открыл периодический закон изменения хи­мических и физических свойств элементов в зависимости от их атом­ных масс. ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемен­та в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных за­рядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в обо­лочках атомов.

Принцип Паули дает объяснение Периодической системы ­делеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая за­ряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

Основные понятия ядерной физики

Ядра всех атомов можно разделить на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Последние самопроизвольно распадаются, превра­щаясь в ядра других элементов. Ядерные преобразования могут про­исходить и со стабильными ядрами при их взаимодействии друг с дру­гом и с различными микрочастицами.

В то время как заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра не равна сумме масс отдельных свободных про­тонов и нейтронов (нуклонов), она несколько меньше ее. Это объясня­ется тем, что для связи нуклонов в ядре (для организации сильного взаимодействия) требуется энергия связи Е. Каждый нуклон (и про­тон и нейтрон), попадая в ядро, образно говоря, выделяет часть своей массы для формирования внутриядерного сильного взаимодействия, которое «склеивает» нуклоны в ядре. При этом, согласно теории отно­сительности (см. главу 3), между энергией Е и массой т существует соотношение Е = тс2, где с — скорость света в вакууме. Так что форми­рование энергии связи нуклонов в ядре Еси приводит к уменьшению массы ядра на так называемый дефект массы Am = Есв ■ с2. Эти пред­ставления подтверждены многочисленными экспериментами. Реакция деления тяжелого ядра замечательна тем, что помимо новых более легких ядер появляются два новых свободных нейтрона, которые называют вторичными. При этом на каждый акт деления приходится 200 МэВ выделяющейся энергии. Она выделяется в виде кинетической энергии всех продуктов деления и далее может быть использована, например, для нагревания воды или другого теплоносителя. Вторичные нейтроны в свою оче­редь могут вызвать деление других ядер урана. Образуется цепная ре­акция, в результате которой в размножающей среде может выделиться огромная энергия. Этот способ получения энергии широко использу­ется в ядерных боеприпасах и управляемых ядерных энергетических установках на электростанциях и на транспортных объектах с атомной энергетикой.

Помимо указанного способа получения атомной (ядерной) энер­гии есть и другой — слияние двух легких ядер в более тяжелое ядро. Процесс объединения легких ядер может происходить лишь при сбли­жении исходных ядер на расстояние, где уже действуют ядерные силы (сильное взаимодействие), то есть ~10-15 м. Этого можно достигнуть при сверхвысоких температурах порядка 1 °С. Такие процессы называют термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции в природе идут на звездах и, конечно, на Солнце. В условиях Земли они происходят при взрывах водородных бомб (термоядерное оружие), запалом для которых служит обычная атомная бомба, создающая условия для формирования сверхвысоких температур. Управляемый термоядерный синтез пока имеет только научно-исследовательскую направленность. Промышленных устано­вок нет, однако работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное преобразование од­них ядер в другие.

Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной, а в условиях лабораторий в результате дея­тельности человека — искусственной радиоактивностью.

Естественную радиоактивность открыл французский физик Анри Беккерель в 1896 г. Это открытие вызвало революцию в естествознании вообще и в физике в частности. Классическая физика XIX в. с ее убежденностью в неделимости атома ушла в прошлое, уступив место новым теориям.

Открытие и исследование явления радиоактивности связано также с именами Марии и Пьера Кюри. Этим исследователям в 1903 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

Искусственная радиоактивность открыта и исследована супругами Ирен и Фредериком Жолио-Кюри, которые в 1935 г. также получили Нобелевскую премию.

Необходимо отметить, что принципиального различия между эти­ми двумя типами радиоактивности нет.

Для каждого радиоактивного элемента установлены количествен­ные оценки. Так, вероятность распада одного атома в одну секунду ха­рактеризуется постоянной распада данного элемента X, а время, за ко­торое распадается половина радиоактивного образца, называется пе­риодом полураспада Т05.

Со временем число нераспавшихся ядер N убывает по экспоненци­альному закону:

где NQ — число нераспавшихся ядер в момент времени t = t0 (то есть на­чальное число атомов), N - текущее значение числа нераспавшихся ядер.

Этот закон называется элементарным законом радиоактивного распада.

Число радиоактивных распадов в образце за одну секунду называ­ют активностью радиоактивного препарата

Единица активности в системе СИ — Беккерель (Бк): 1 Бк = 1 рас­пад/1 с. Часто на практике используется внесистемная единица — Кюри (Ки), 1 Ки - 3,7 • 1010 Бк.

Раздел 6. СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ВСЕЛЕННОЙ

6.1. Общие принципы современной астрономии

Астрономия - одна из древнейших наук, переживающая в XX в. новое рождение. Слово "астрономия" происходит от греческих astron - звезда и nomos - закон. Современная астрономическая наука изучает процессы, протекающие в макро - и мегамире. Небесная механика, астродинамика, астрометрия изучают закономерности макроуровня; внегалактическая астрономия и космология - процессы мегауровня. Различие между макро - и мегамиром проводится следующим образом: объект относится к мегауровню, рели его размеры превышают 109 пк. При изучении процессов в мегамире современная астрономия апеллирует к тем данным, которые получены в "обычной" астрономии макромира и физике микромира.

XX в. можно назвать веком астрономической и космологической научной революции: новые открытия не просто подтолкнули развитие самой науки, но радикально изменили взгляд человека на происхождение и устройство Вселенной, свое место в мире и т. п. Выводы, которые формулируются в астрономии и космологии, имеют фундаментальный мировоззренческий характер и существенно влияют на те Цели, которые ставит перед собой человечество.

Новые открытия происходили в астрономии на протяжении всего XX в.: в 1929 г. было обнаружено явление разбегания галактик; в 40-е гг. - существование больших скоплений звезд, которые распадаются после своего возникновения; в 50-е гг. открыты явления распада групп галактик; в 1963 г. - квазары и нейтронные звезды. Во второй половине XX в. началось практическое освоение космоса, которое стало дополнительным толчком для развития прикладных исследований в астрономии.

Следствием научной революции стало изменение способов познания и той картины мира, которая создается на основе этих исследований. Во-первых, благодаря новым техническим достижениям существенно расширилась область наблюдаемой Вселенной, т. е. изменился эмпирический фундамент астрономии. Во-вторых, в качестве теоретической базы стала рассматриваться уже не классическая физика, а квантовая механика и квантовая хромодинамика. В-третьих, современная астрономия отказалась от классических представлений о пространстве и времени и приняла в качестве своего теоретического основания релятивистскую концепцию пространственно-временного континуума. В-четвертых, открытие нестационарности Вселенной, имевшее наиболее серьезные мировоззренческие последствия, привело к фундаментальному пересмотру представлений человека о мегамире и протекающих в нем процессах. В-пятых, современная астрономическая наука учла фактор активности субъекта познания, что выразилось в так называемом антропном космологическом принципе. В-шестых, развитие эмпирических и теоретических исследований привело к отказу от идеи единственности нашей Вселенной и обсуждению гипотезы "множественности вселенных".

В отличие от классического экспериментального естествознания, в котором теоретические гипотезы выдвигались, как правило, для объяснения уже открытых эмпирических фактов, современная астрономия развивается скорее обратным образом. Все новейшие представления о происхождении и развитии Вселенной (или вселенных) являются результатами математического моделирования и экстраполяции известного знания на новые области. Таким образом, сначала выдвигается теоретическая гипотеза и создается математическая модель, затем из нее делаются определенные выводы, и только потом они проверяются экспериментальным путем. Безусловно, выводы астрономии должны получать опытное подтверждение или опровержение, т. е. подвергаться процедурам верификации или фальсификации. Этим утверждается научный статус астрономии. Однако поскольку - прямые подтверждения или опровержения сложны, существенно возрастает роль косвенных экспериментальных свидетельств. Но порой даже косвенная экспериментальная проверка отодвигается на десятилетия. Некоторые исследователи философских проблем астрономии вообще считают что в ряде случаев экспериментальное подтверждение или опровержение теоретических космологических моделей в принципе невозможно. В связи с этим ведутся дискуссии о возникновении нового типа рациональности, который напрямую связан с характером современной астрономической науки.

6.2. Основные космологические гипотезы происхождение Вселенной

Происхождение эволюция и устройство Вселенной как целого изучаются космологией. Слово "космология" происходит от греч. kosmos - вселенная и logos - закон. Уже древние мудрецы задались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной, поэтому космология - учение о строении мира - и космогония - учение о происхождении мира - были неотъемлемым компонентом философских систем древности.

Современная космология - это раздел астрономии, в котором аккумулированы частнонаучные данные физики и математики и универсальные философские принципы, космология представляет собой синтез научных и философских знаний. Именно этим определяется ее специфика. Выводы космологии почти полностью обусловлены теми философскими принципами, на которые опирается исследователь. Дело в том, что размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически труднопроверяемы и существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космолог движется от теории к практике, от модели к эксперименту, в этом случае роль исходных философских и общенаучных оснований существенно возрастает. Именно поэтому космологические модели радикально различаются между собой - в их основе лежат разные, порой конфликтующие мировоззренческие принципы. Понятно, что религиозная космология будет серьезно отличаться от космологии, построенной на материалистических мировозренческих основаниях. В свою очередь любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т. е. изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе. Такими образом, можно сказать, что современная космология - это не только."физика", но и "философия", а иногда и "религия".

Классические космологические представления, сутью которых было утверждение абсолютности и бесконечности I пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной, сталкивались с двумя неразрешимыми парадоксами - гравитационным и фотометрическим. Гравитационный парадокс заключался в противоречии между исходными постулатами о бесконечности Вселенной и ее вечности. Так, если предположить бесконечность мира, то необходимо также признать и бесконечность действующих в нем сил тяготения. Бесконечность сил тяготения между небесными телами должна была бы привести к коллапсу, т. е. Вселенная не могла бы существовать вечно, а это противоречит постулату о ее вечности. Фотометрический парадокс также вытекает из постулата бесконечности Вселенной. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба также должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

Парадоксы классической науки разрешаются в современной релятивистской космологии.

Началом революции в астрономии считается создание в 1917 г. А. Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу положена релятивистская теория тяготения, обоснованием которой служит общая теория относительности. А. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению А. Эйнштейна, зависят от распределения в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем во Вселенной, вернется к нему с противоположной стороны.

В 1922 г. российский математик и физик А. Фридман выступил с критикой теории А. Эйнштейна. Его идеи стали началом нестационарной релятивисткой космологии. Космологическая концепция А. Фридмана основывается на нескольких принципах.

1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной. Космологический постулат имеет сильный и слабый варианты. Слабый вариант предполагает независимость процессов, протекающих во Вселенной, от направления (изотропность)

и места (однородность). Сильный вариант космологического принципа предполагает независимость (инвариантность преобразований) процессов не только от направления и места, но и от времени. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени. Этот принцип получил название совершенного космологического принципа.

2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства

и времени и их зависимости от материи. Пространственно-временная метрика Вселенной задается гравитационными полями, признаются также искривленность пространства и замедление времени во всех частях Метагалактики.

Пространственно-временная метрика описывается уравнениями общей теории относительности.

3. Принцип конечной скорости протекания любых физических процессов.

4. Принцип нестационарности Вселенной поначалу основанный только на математических расчетах, согласно которым искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.

Все эти принципы дают основание переносить данные, полученные в одной части Вселенной, на все остальные ее части А. Фридман предложил три модели Вселенной. В первой рассматривается случай средней плотности вещества и неискривленности пространства. В такой ситуации Все. ленная должна бесконечно расширяться из некоторой исходной точки. Во второй модели предполагалась плотность вещества меньше критической. В этом случае пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная также должна неограниченно расширяться из начальной точки. В третьей модели рассматривался случай плотности вещества выше критической. В этой ситуации пространство должно иметь положительную кривизну, а Вселенная периодиче-1 ски расширяться и сжиматься.

Фридмана некоторое время не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. физик Э. Хаббл обнаружил эффект "красного смещения" в спектрах удаленных галактик. "Красное смещение" означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Т. е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что "красное смещение" пропорционально расстоянию до источника света. Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т. е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения - слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходное состояние Вселенной. Ж. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10~12 см, а ее плотность - 1096 г/см, т. е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообъект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

Представление о развитии Вселенной привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). Вселенная развивается из исходного сингулярного состояния, радиус которого бесконечно мал, Плотность материи бесконечно велика, проходит различные - этапы своего развития, а затем умирает. Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом.

По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точка в которой расширение сменится сжатием, рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент "начала" времени называется Большим Взрывом. Момент "конца" времени был назван Ф. Типлером Великим Стоком.

Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Ученые рассчитали, что если бы скорость расширения была постоянной на протяжении, всего существования Вселенной, то можно было бы говорить о возрасте в 18 млрд лет. Однако современная космология утверждает, что расширение Вселенной постепенно замедляется. Поэтому время, прошедшее с момента Большого Взрыва, может составить 12 млрд лет. Если же предположить существование космических сил отталкивания - такое допущение делается в инфляционных моделях, - то возраст Вселенной будет значительно больше. Современные космологи оценивают возраст Вселенной в 12-20 млрд лет.

С представлением о возрасте Вселенной связано понятие космологического горизонта, отделяющего доступную для наблюдений область пространства от недоступной. За время, прошедшее с момента возникновения Вселенной, свет мог пройти конечное расстояние, которое оценивается величиной в 6000 Мпк. Мы можем наблюдать только ту часть мира, которая находится в пределах этого радиуса, поскольку от более удаленных областей пространства свет еще не успел до нас дойти. Кроме того, удаленные области пространства мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад. Космологический горизонт растет пропорционально времени, с каждым днем область доступной для наблюдения Вселенной увеличивается.

В 40-е гг. XX в. наступил новый этап развития космологи: для объяснения происхождения Вселенной американским физиком Дж. Гамовым была предложена гипотеза Большого Взрыва. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Дальнейшая эволюция происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой - усложнением структур. Этапы эволюции Вселенной называются эрами.

Адронная эра: длительность 10~7 с, температура Вселенной составляет 1032 К. Главными действующими лицами являются элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная представляет собой разогретую плазму.

Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 10 в 15 степени К. Главные действующие лица - лептоны (электроны, позитроны и др.).

Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура ВселеннойК. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным.

Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения.

Гипотезу Большого Взрыва называют также моделью горячей Вселенной, или стандартной моделью. Эта гипотеза стала общепринятой после открытия в 1965 г. реликтового излучения. Несмотря на стандартность и общепринятость, концепция Большого Взрыва не дает ответа на некоторые вопросы. Например, каковы причины образования галактик из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества? Самой большой проблемой остается состояние сингулярности, введение которого требуется уравнениями общей теории относительности А. Эйнштейна.

Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и объяснения сингулярности физиком А. Гутом была предложена инфляционная гипотеза, или модель инфляционной Вселенной. На данном этапе развития науки инфляционная концепция не может получить прямого эмпирического подтверждения, однако она предсказывает новые факты, которые в принципе могут быть проверены. Инфляционная теория описывает эволюцию Вселенной начиная с 1(Н* с после начала расширения. Модель раздувающейся (ин?*ФляЧИ0Н~ ной) Вселенной не противоречит гипотезе Большего Взрыва, включая ее в качестве своего частного случая. Различие между концепцией Большого Взрыва и концепцией инфляционной Вселенной касается только первых мгновений существования мира - до 10 минус 30 степени с, принципиальных мировоззренческих расхождений между этими гипотезами нет-

^Согласно инфляционной модели первоначальное состояние Вселенной - состояние квантовой супергравитации. Радиус Вселенной в этот момент составляет 10~* см - Это значительно меньше радиуса атомного ядра, который оценивается величиной 10-1^ см. Первоначальное состояние Вселенной - вакуум, особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум как бы "кипит» в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. Возникновение частиц из вакуума описывается понятием флуктуации. Вакуум может находиться в состояниях характеризующихся разными давлениями и энергиями - Если вакуум возбужден (так называемый ложный вакуум), то в процессе порождения и уничтожения виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая и приводит к раздуванию "пузырей" - зародышей вселенных. Исходное состояние ложного вакуума можно сравнить с кипением воды в котле. Каждый из "пузырей" - домен, отдельная Вселенная, характеризующаяся собственными значениями фундаментальных физических констант. Считается, что наша Вселенная - один из "пузырей", возникших из вакуумной пены. 27

Как показали эксперименты, при падении температуры ниже 1О К наблюдаются процессы распада. Однако в силу того что распад частиц и античастиц идет по-разному, во Вселенной образуется незначительное преобладание вещества над антивеществом: на миллиард античастиц образуется миллиард плюс одна частица. Удовлетворительных объяснений этой асимметрии пока не найдено. Именно это избыточное вещество и стало "материалом" для Вселенной. Нарушение симметрии между веществом - антивеществом привело к нарушению равновесности системы, и она перешла в новое состояние, изменив свою структуру.

В это время во Вселенной начинает действовать известная нам сила гравитационного притяжения. Но поскольку начальный импульс расширения был очень сильным, Вселенная продолжает расширяться, однако значительно медленнее. Расширение сопровождается понижением температуры. На этом этапе Вселенная пуста, в ней нет ни излучения, ни вещества. Однако энергия, которая выделилась при распаде ложного вакуума, идет на мгновенный нагрев Вселенной до температуры примерно 10 в 27 степени К. Происходит своеобразная вспышка света. Энергия, мгновенно разогревшая Вселенную, сейчас понимается как суперсила, которая объединяла все известные четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное.