Космология. Элементы физики Мегамира

План лекции

1. Космология. Элементы физики Мегамира.

2. Геологическая эволюция. Структурные уровни материи в рамках геосфер Земли.

3. Основные гипотезы («теории») происхождения жизни. Что такое жизнь?

Выделив в структурных уровнях материи гипермир (см. лекцию 4; 4.2), как представление о множестве мегамиров, мы фактически задали мегамир, как взаимодействующую и развивающую систему с усложнением фрактальной структуры «стрел времени» от Большого взрыва до образования космических тел, доступную современным методам исследования всех форм материи, в нее входящих, а также их взаимодействий (см. схему 45).

Схема 47. Структура Мегамира.

1. Обычная материя – 4-5% всей материи в Мегамире (во Вселенной)

2. Темная материя – 23% всей материи в Мегамире (во Вселенной)

3. Темная энергия (энергия вакуума или космологическая постоянная) – 73% всей материи в Мегамире (во Вселенной).

4. Нейтрино.

В схеме приводятся звёздные массы для эллиптических E-галактик. Для спиральных S-галактик звёздные массы составляют 90-97%;а для неправильных Ir-галактик составляют 80% от массы галактики ( Физическая энциклопедия 1988, с. 389). В последнее время стали считать;что обычное вещество находится в основном в облаках газа и звёздная масса составляет всего 10% от массы газа. Кроме того ; нейтрино приписывают от 0,3 до 3% вклада в полную энергию (массу) во Вселенной (презентация лекции В А Рубакова Тёмная материя и тёмная энергия во Вселенной 2. 02. 2010).

В рамках выделения Мегамира, как возможно одной из частей Гипермира, мы под Вселенной будем понимать объект космологии Мегамира, т.е. ту часть материального мира, которая на данном уровне познания доступна астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию.

Итак, космология – это наука, целью которой является изучение и представление о Вселенной как едином целом.

Космогония – наука, изучающая происхождение небесных тел и систем от Солнечной системы до звезд, галактик и скоплений галактик.

Для наглядного модельного представления о масштабах нашей Галактики и Метагалактики представим их схематически (см. схему 48) с указанием удаления некоторых космических объектов от Солнца. Масштаб соответствующей модели: м (боровский радиус):м (радиус Земной орбиты) = . При этом Вселенная в рамках Метагалактики включает в себя ÷ Галактик, в каждой из которой находится 10¹¹ звезд.

Схема 48. Модель Галактики и Метагалактики

ГАЛАКТИКА (Млечный путь – звездная система, содержащая до 1011 звезд, к которой принадлежит Солнечная система)	МЕТАГАЛАКТИКА (изученная часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами)
Масштаб: Земная орбита = внутренней орбите атома водорода в модели Бора   модели Бора (радиус этой орбиты равен 0,53·10-8 см)     Галактика в этом масштабе: v Расстояние до ближайшей звезды Проксима 0,014 мм; v Расстояние до центра Галактики около 10 см; Размеры нашей звездной системы будут около 35 см; v Диаметр Солнца будет 0,0046 Å (ангстрем – единица длины, равная 10-8 см).	Метагалактика в этом масштабе: v Расстояние до туманности Андромеды 6 м (реальное удаление 1,5 млн. световых лет); v Расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик 120 м, причем такого же порядка будет размер самого скопления (реальное удаление 50 млн. световых лет); v Расстояние до радиогалактики Лебедь-А 2,5 км; v Расстояние до радиогалактики 3С-295 25 км (реальное ее удаление 5 млрд. световых лет). Скорость удаления радиогалактики Лебедь-А – около 17 тыс. км/с, радиогалактики 3С-295 – около 138 тыс. км/с.
Реальные размеры Галактики: диаметр – 120 тыс. световых лет, толщина 10 тыс. световых лет	Реальные размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет

Наша, наиболее важная для нас, Галактика носит название Млечный путь и состоит из более чем 100 млрд. звезд. Диаметр нашей Галактики настолько велик, что человеку, даже если бы он мог перемещаться со скоростью света (м/с), понадобилось бы 100000 лет для того, чтобы пересечь ее. Если перевести реальные размеры Галактики в привычные для макромира километры, то ее диаметр составляет приблизительно один квинтиллион (10¹⁸) километров. Среднее расстояние между звездами внутри нашей Галактики составляет около 60 триллионов (60×10¹²) километров.

В связи с огромными масштабами вводят новые астрономические единицы: астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца – 1 а.е.=1,50×10¹¹м; световой год, т.е. расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год – 1 св. год = 6, 32×10⁴а.е. = 9,46×10¹⁵м; парсек – 1 пс. = 3,2 св. лет = 2,06×10⁵а.е. = 3,09×10¹⁶м.

Время жизни нашей Вселенной и соответственно Метагалактики, т.е. то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до …, пожалуй, лучше чем 10%. Размер Метагалактики, т.е. наблюдаемой части Вселенной, казалось бы можно определить, исходя из того, что свет путешествовал к нам 13,7 млрд. лет, значит это надо умножить на скорость света (м/с) и получится расстояние, на котором мы якобы сейчас видим объекты Вселенной. На самом деле мы видим в несколько раз дальше, чем получим в результате (около 1,6 млрд световых лет), потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 млрд лет назад, они сейчас от нас находятся дальше, так как Вселенная расширяется. Реальные, т.е. наблюдаемые размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет.

Обычная материя практически вся сосредоточена в звездах. В схеме 49 мы собрали терминологические названия основных видов звезд и соответствующие, очень краткие характеристики. При этом внутренняя жизнь звезды регулируется воздействием двух сил: силы притяжения, которая противодействует звезде, удерживает ее, и силы освобождающейся при происходящих в ядре ядерных реакциях. Она, наоборот, стремиться «вытолкнуть» звезду в дальнее пространство. Не вдаваясь в сложные механизмы эволюции, приведем схематически варианты развития звезд главной последовательности.

Схема 49. Виды звезд и их краткие характеристики.

v Красные карлики - звезды, диаметр которых в 2-3 раза меньше диаметра Солнца, их средняя плотность в 4-5 раз больше плотности Солнца.

v Белые карлики – электронные постзвезды: масса такого типа звезды порядка массы Солнца, а радиус – 0,01 радиуса Солнца. Плотность 10 г/см3

v Красные гиганты – звезды большой светимости: диаметр их в сотни раз больше диаметра Солнца; плотность в тысячи раз меньше плотности воздуха.

v Черные дыры – звезды, сжатые до величины гравитационного радиуса (радиуса сферы Шварцшильда:, - гравитационная постоянная, - скорость света) – для Солнца 3 км. В них вещество находится в состоянии сингулярности (плотность выше 1074 г/см3).

v Нейтронные – звезды, состоящие из огромного сгустка нейтронов; силы гравитации разрушили в них сложные ядра, и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Масса их близка к массе Солнца, радиус 1/50000 от солнечного (10-30 км), плотность до 1014 г/см3.

v Пульсары – пульсирующие космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучений. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов – 0,03-4с; у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более.

v Квазары – квазизвездные источники радиоизлучения; космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров. Отдаленность от Солнца несколько тысяч мегапарсек. Это образования окраин Вселенной. Они излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Масса ядра 103-109 масс Солнца; размеры 1016-1017 см.

При этом нас, прежде всего, интересует эволюция Солнца (см. схему 50).

Схема 50. Эволюция звезд главной последовательности (варианты развития).

Наше Солнце является малой звездой главной последовательности согласно классической диаграммы Герцшпрунга-Ресселла. С эволюцией Солнца взаимосвязана и эволюция Солнечной системы, модель которой приведена на схеме 51.

Схема 51. Модель Солнечной системы

Примечание: В 2006 г. на съезде астрономов было принято отнести планету Плутон, имеющую массу, равную 0,002 массы Земли, к астероидам.

Солнце можно структурно разделить на несколько слоев. В центре расположено ядро, именно здесь происходят термоядерные реакции, температура ядра равна примерно 14 млн. градусов, плотность кг/м³, ядро окружает радиоактивная зона. За ней следует конвективная зона. Далее идут фотосфера и хромосфера и, наконец, солнечная корона. Видимой с Земли является фотосфера, именно на ней можно наблюдать солнечные пятна с наличием в них сильных магнитных полей. Хромосфера представляет собой очень плотную солнечную атмосферу и в ней возникают протуберанцы – часто светящиеся выбросы водорода, свидетельствующие о солнечной активности. Солнечная корона – более разряженные слои солнечной атмосферы, но с достаточно высокой температурой от 1 до 2 млн. градусов, хотя температура на самой поверхности Солнца примерно 10 тыс. градусов.

Характерно, что из всех планет Солнечной системы только на Земле в результате ее эволюции образовалось поистине фантастическое разнообразие живых существ и самое удивительное появился биосоциокультурный вид – человек разумный (Homo sapiens).

Нам представляется, что для понимания фрактальной структуры «стрел времени», в которую естественно включаются космологическая стрела времени вплоть до образования Земли, геологическая стрела времени и биологическая стрела времени, особую роль приобретает антропный принцип.

Слабый антропный принцип утверждает, что наблюдаемые свойства Вселенной зависят от человека как наблюдателя, то есть Вселенная такая потому, что мы ее такой видим.

Сильный антропный принцип говорит, что Вселенная устроена таким образом, что в ней с неизбежностью должен был появиться человек. Такой подход фактически реанимирует антропоцентрическую идею о человеке как о цели творения. Естественно, что опираясь на концепции современного естествознания, мы непроизвольно уходим от телеогических аспектов в религиозном плане. Однако, Стивен Хокинг доказал, что направления трех базовых «стрел времени», а именно общеизвестной термодинамической (см. лекцию 5), психологической, связывающей наше восприятие времени от прошлого к будущему, и космологической совпадают, иначе не могли бы реализоваться условия для зарождения и развития разумных существ.

Очевидно, именно в этом естественнонаучном плане можно говорить и о пересечении отмеченных выше стрел времени с антропологической стрелой времени, включая в нее и антропный принцип. Именно такой подход, на наш взгляд, позволяет согласиться с математически доказанной с использованием теории струн «многоликости Вселенной», т.е. с возможностью реализации множественности Вселенных, или по нашей терминологии «многоликового» гипермира. Тогда наша наблюдаемая Вселенная отличается от гипотетических Вселенных именно реализацией в ней антропного принципа. Мы в данном параграфе ограничимся рассмотрением только космологической стрелы времени нашей наблюдаемой Вселенной (см. схему 52).

Схема 52. Основные этапы космологической шкалы («стрелы») времени.

Этапы	Основные идеи и явления	Обоснования	Время от сегодняшнего момента
Название	Кос-мическое время	Тем-пера-тура (К)
v Сингулярное состояние Вселенной в пузырьковой модели и в модельной теории струн			Невозможность избежать сингулярности, т.е. «точечного» объема с бесконечно большой плотностью, в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярности, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов.	Расширение Вселенной, открытое Э. Хабблом на основе обнаруженного им в 1929 г. «красного смещения» спектральных линий излучения от удаленных галактик.
v .Большой взрыв в «холодной» модели А.А.Фрид-мана и в «горячей» модели Г.А. Гамова			В 1922 г., найдя нестационарные решения гравитационного уравнения А. Эйнштейна, А.А. Фридман предложил геометрические модели нестациолнарной вселенной, в рамках которых возникло предположение о начальном взрывном процессе. В 1948 г. Г.А. Гамов добавил к «холодному» взрыву очень плотной материи представление, что «первичное вещество» мира было не только очень плотным, но и очень горячим.	Теория «горячей Вселенной» в сочетании с теорией Большого взрыва была подтверждена экспериментально обнаруженным в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном реликтового, т.е. рассеянного космического электромагнитного излучения с температурой близкой к предсказанной Г.А. Гамовым, 2,7К.	млрд. лет
Как отмечает А.Д. Линде в 2007, только со времени, равном 10-43 с, мы можем Вселенную рассматривать в терминах нормального пространства-времени
v Эпоха Планка в модели гипомира, т.е. частиц (пузырьков) – планкеонов со следующими характеристиками: м, с, кг/м3.	10-43 с	1032 К	Наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с плотностью около 1096кг/м3. При большей плотности возникают огромные флуктуации, не позволяющие описать как сингулярность, так и то, что было до нее.	Постоянство четырех фундаментальных констант: G, c, , kБ, На основе соответствующих фундаментальных физических констант зачастую задается и физическое обоснование сильного антропного принципа. Возможно в эту эпоху существовало единое, целостное фундаментальное взаимодействие.
Если рассматривать гипомир (эпоху Планка), как пространственно-временную пену, то возникает вопрос: как из одной частицы (пузыря) и пусть даже из десятка частиц возникло в процессе эволюции 1087 элементарных частиц. Кроме того, начальная масса Вселенной должна быть 10 тонн, чтобы в процессе расширения и перехода части массы в излучение прийти к современной массе Вселенной 1050 тонн. И, наконец, экспериментально доказано, что пространство эвклидово, т.е. нельзя процессы расширения или сжатия связать с кривизной пространства, как в моделях Фридмана и Леметра. И, наконец, может быть хорошо, что нашлась теория, которая позволяет, по крайней мере в принципе, объяснить, как можно было сделать все это, исходя из кусочка Вселенной с изначальным количеством материи меньше одного миллиграмма. Это теория инфляционной космологии.
v Эпоха экспоненциального расширения Вселенной с ускорением. Эпоха Большой Космической инфляции	От 10-43 с до 10-35 с	От 1032К до 1028К	Возникает расширение Вселенной в раз. Используется новая теория инфляционной космологии, в которой, в частности, плотность темной материи играет роль космологического члена в гравитационном уравнении А. Эйнштейна.	В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий, и одно из объяснений экспоненциального расширения Вселенной – включение антигравитации темной энергии. Подтверждена измерением анизатропии реликтового излучения.
Мы не будем рассматривать математическую модель теории космологической инфляции, а просто приведем геометрическую (графическую) модель Инфляционной Вселенной, вплоть до настоящего времени. Очевидно различие между сценарием раздувающейся Вселенной и стандартной моделью Большого взрыва. Во-первых, что считать большим взрывом – либо возникновение эпохи Планка (вакуумной подсистемы с характерными размерами 10-35м – гипомира (пространственно-временной пены), либо время от 10-43 с до 10-35 с, когда была стадия, согласно теории космологической инфляции, очень быстрого расширения, потом она становилась горячей и потом взорвалась как горячий шар. Сами частицы появились после стадии инфляции, а во время инфляции частиц могло не быть вообще. Т.е. планкеон в такой модели – «пузырь» пространственно-временной пены. Важно также понимать, что всегда есть квантовые флуктуации, которые при огромных значениях становятся классическими. И, наконец, возникновение пузырей происходит постоянно, оно будет происходить вечно, у гипермира (множества Вселенных – мегамиров) никогда не будет конца. Однако, мы вернемся к нашей наблюдаемой Вселенной (мегамиру). В 2003 г. спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения (Т=2,725 К ± 10 -5 К). Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космического телескопа Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель Лямбда – CDM (холодной темной материи) и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя – 4%, темная материя – 23%, темная энергия – 73%). Для нас важно, что после эпохи Большой Космической инфляции возник строительный материал нашей Вселенной, представляющей собой кварк-антикварк-глюонную плазму. Таким образом, микромир включается в образ нашей Вселенной.
v Эпоха бариогенеза и адронов	От 10-35с до 10-5 с	От 1028К до 1014К	Рождение и аннигиляция кварк-антикварковых пар: ~10-9. Считается, что различие между материей и антиматерией во взаимодействии частиц наблюдалось только для кварков и антикварков. Затем произошел следующий фазовый переход, называемый бариогенезом, т.е. объединение кварков и глюонов в барионы, такие как протоны и нейтроны. Рождались и другие адроны – гипероны и мезоны. И все-таки в механизме возникновения асимметрии вещества и антивещества еще достаточно много парадоксов и загадок.	Кварко-глюонная плазма фиксируется как вакуумная подсистема с характерными размерами 10-15 м уже в экспериментах на БАКе при энергиях порядка 7 ТэВ, т.е. при температурах порядка 1017 К. На БАКе также обнаружен бозон Хиггса, но с несколько искаженными по отношению к теории параметрами. Появление «лишних» нуклонов, ответственных за асимметрию между материей и антиматерией, связывают также с асимметрией распада бозона Хиггса и соответствующего ему антибозона. Ученые надеются, что, включив всю энергию БАКа (14 ТэВ), удастся исследовать подсистему с характерными размерами 10-18 м, т.е. более обоснованно экспериментально исследовать бозон Хиггса, а возможно, и темную материю.
v Эпоха лептонов	От 10-6 с до 1с	От 1014К до 1011К	Аннигиляция лептонно-антилептонных пар; как в кипящем котле во вселенной непрерывно рождались и исчезали адроны, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий. Появление реликтовых нейтрино. Происходило взаимопревращение элементарных частиц.	Экспериментально подтверждено открытием в 1967 г. нейтральных токов на синхротронном ускорителе в Церне и созданием С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом теории электрослабого взаимодействия. Взаимопревра-щение частиц наблюдалось прежде всего при и распадах.
v Эпоха термоядерных реакций	От 1 с до 3 мин	От 1011К до 109 К	Возникают термоядерные реакции с участием протонов и нейтронов : ; ; . Возникают примеси легких элементов, которые измерены путем наблюдения реликтового излучения. Становление первоначального химического состава вселенной: ядер водорода – 70%, ядер гелия () – 30% + плазма.
v Эпоха перехода плазма-газ и становления прозрачной Вселенной	3×105 лет (300 тыс лет)	3×103 К	Возникновение газа в основном атомарного водорода из электронно-протонной плазмы, а также за счет рекомбинации электронов и ядер. Начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов – водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью молекул водорода; отделение излучения от вещества.
v Этап формирова-ния галактик, в том числе и нашей Галактики, включающий в себя следующие события: а) начало образования галактик; б) галактики начинают образовывать скопления; в) сжатие нашей протогалактики г) образование звезд.	От 1 млрд лет до 4 млрд лет		Создание неустойчивой относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствует вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. По современным представлениям, центральными объектами структуры Вселенной являются галактики, масса которых эквивалентна в среднем 100 млрд. масс Солнца. К числу таких объектов относится и наша Галактика – Млечный путь. По своим свойствам и форме большинство галактик можно разделить на два типа: спиральные и эллиптические.	Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса (по имени ученого Дж. Х. Джинса (1877-1984)). Если исходный размер тела превосходит длину Джинса, то, в конце концов должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной – галактик, их скоплений с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой – обусловлено флуктуациями плотности остывающего однородного шара, имеющими различную природу.	От 12,7 млрд лет до 9,7 млрд. лет
v Этап образования Солнечной системы	9,1 млрд лет	2,7К	Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд, среди которых наше Солнце – относительно молодая звезда как по возрасту, так и по времени рождения. При этом «старые» звезды сыграли огромную роль в происхождении химических элементов за счет термоядерных реакций, взрывов красных гигантов и «сверхновых» звезд.	4,6 млрд лет

Представляет очевидный интерес предсказание эволюции нашей Вселенной, Галактики – Млечный путь, Солнца и Земли в будущем.

Что касается Вселенной, то очень часто такие оценки делают на основании закона Хаббла: , где - постоянная Хаббла, - расстояние между галактиками, - скорость «разбегания» галактик.

Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу , которая находится на расстоянии от «наблюдателя» (см. рис. 7.1). Энергия этой галактики складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии , которая связана с гравитационным взаимодействием галактики с веществом массы , находящимся внутри шара радиуса . Выразим массу через плотность , и, учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:

. (1)

Из этого выражения найдем , т.е. такое значение плотности при котором , т.е. вселенная не расширяется, как при , и не сжимается, как при . Подставив в выражение (1) известные значения (км/с)/10⁶ световых лет и м²/кг×с², получаем значение критической плотности кг/м³. Самое удивительное, что с учетом плотностей видимой материи 10^-34кг/м³, а также плотностей темной материи и темной энергии, мы получаем значение кг/м³, т.е. совпадающее с критической плотностью . Более того, ряд ученых считает, что плотность материи всегда была равна. Таким образом, предсказать будущее сжатие или расширение Вселенной, исходя из закона Хаббла, достаточно сложно.

В процессе эволюции Вселенной особая роль принадлежит плотности темной энергии, которая играет роль космологической постоянной в гравитационном уравнении Эйнштейна, задавая, как стало ясно, совместно с темной материей определенную стабильность (статичность) галактик, в том числе и нашей галактики – Млечный путь. Так темная материя, благодаря своей гравитации способствует современному положению галактик, а самое главное, и галактических объектов.

Темная энергия усиливает темп расширения Вселенной за счет антигравитации, но одновременно являясь алгебраической суммой энергий всех вакуумных подсистем, очевидно, не изменяет своей плотности, т.е. антигравитация препятствует изменению объема (гравитационному коллапсу) физического вакуума. Методом астрономических наблюдений изучалось влияние темной энергии на движение галактик и их скоплений. Обнаружена удивительная корреляция между плотностью темной энергии (энергией вакуума) и видимой материей в мире. Если бы Вселенная продолжала очень быстро расширяться как в эпоху Большой Космической инфляции, когда, по мнению ряда ученых, произошло отделение антигравитации, т.е. получила простор темная энергия, то галактики, звезды и планеты не успели бы сформироваться. Вещество такой Вселенной находилось бы в состоянии разряженного газа, и человеку места в ней не было бы.

Если бы не произошел наблюдаемый в наше время переход от замедленного расширения к ускоренному, то мы получили бы космос, состоящий не из звезд и планет, а из одних черных дыр. В такой Вселенной человек тоже не мог бы существовать.

На данном этапе расширения Вселенной с ускорением, нашей Галактике – Млечный путь - ничто не угрожает, ее стабильность обеспечивает темная материя. Единственное, что представляется возможным в диапазоне десятков миллиардов лет, это столкновение нашей Галактики и Галактикой Андромеды. Последующие самые экзотические сценарии эволюции нашей Вселенной настолько удалены по времени, что они представляют исключительно научный, но не утилитарно-практический интерес.

Нас же в практическом плане должна интересовать эволюция Солнца (см. схему 51.) и связанная с ней эволюция всей Солнечной системы, которой предстоит еще долгий стабильный период не менее 3-4,5 млрд. лет.

Человек же уже достиг «успехов» в своем антропно-экологическом влиянии на эволюцию Земли, к геологической эволюции которой, в рамках изучения ее структурных уровней мы переходим.