Лекция 2 Картины мира. Теории возникновения Вселенной

Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы (картины) мира

 Глядя на звездное небо ночью, человек еще в древние времена стал задаваться вопросом о строении космоса, но его так же интересовал вопрос строения Земли.

 Первое представление о мире сложилось в Древней Греции на основе, прежде всего, разработок Платона, Евдокса, Аристотеля и Птолемея, согласно которому в центре мироздания находится неподвижная Земля, такая картина мира называется геоцентрической, в переводе с древнегреческого «гея» — «земля». 

 В основе этой системы лежат четыре основных положения:

1. Земля находится в центре вселенной.
2. Земля неподвижна.
3. Все небесные тела движутся вокруг Земли.
4. Движения небесных тел происходят окружностям с постоянной скоростью.

А так же два дополнительных:

1. Весь мир делится на подлунный и надлунный; в первом всё преходяще временно, все движения вынуждены и вызываются действующими силами; во втором все вечно, всё движения осуществляются без всяких сил осуществляются по совершенным круговым траекториям. 
2. Всё мироздание антропоцентрично. Человек – высшее создание Бога – в этом, сотворенном Богом мире, помещен в центр мироздания.

Схематичное представление геоцентрической системы мира показано на рисунке 1. 

 На следующем рисунке в виде  цветка или изысканный узора представлены траектории планет, по мнению сторонников идеи геоцентризма. Именно такие «танцы» вокруг Земли должны устраивать планеты Солнечной системы, Луна и само Солнце в геоцентрической модели мира. Неподвижная точка в центре «цветка» — как раз и есть Земля. Эту сложнейшую систему пришлось составить геоцентристам, чтобы объяснить существующие траектории планет, наблюдаемые с Земли. 

 В ходе научной революции XVII века Галилей с помощью телескопа сделал рад важных астрономических открытий, Ньютон открыл закон всемирного тяготения и создал классическую механику, выяснилось, что положения геоцентризма противоречат открытиям. На основе новых астрономических фактов Николай Коперник предположил свою гелиоцентрическую теорию планетарных движений.

 Гелиоцентрическая система мира — представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты ("гелиос" — в древнегреческой мифологии солнечное божество). В начале Эпохи Возрождения подвижность Земли утверждал Николай Кузанский, но его обсуждение было философским, не связанным с объяснением конкретных астрономических явлений. На эту тему также высказывался и Леонардо да Винчи. Окончательно гелиоцентризм возродился в XVI веке, когда Коперник разработал теорию движения планет вокруг Солнца на основании пифагорейского принципа равномерных круговых движений. 

В основе гелиоцентрической системы лежат пять основных положений:

1. Солнце является неподвижным центром, вокруг которого по круговым орбитам вращаются планеты. Земля - одна из этих планет.
2. Период обращения нашей планеты вокруг Солнца равен году, кроме того, она вращается вокруг собственной оси и совершает полный оборот за сутки. Так человек понял, почему происходит смена времен года и суток.
3. Луна - это не одна из планет, а спутник Земли.
4. Меркурий - самая близкая от Солнца планета, а Сатурн самая дальняя.
5. Скорости движения планет постоянны.

 Рассмотрим причины, по которым Коперник сделал вывод о центральном положении Солнца:

1. Коперник считал недостатком всех геоцентрических теорий то, что они не позволяют определить «форму мира и соразмерность его частей», то есть масштабы планетной системы. Коперник объяснил причины попятных движений планет, вычислил расстояния планет от Солнца и периоды их обращений. 
2. Объявляя Землю одной из планет, Коперник устранял резкий разрыв между «надлунным» и «подлунным» мирами, характерный для философии Аристотеля.

 При такой системе нет необходимости придумывать сложные модели планетных траекторий. Когда ставишь в центр системы Солнце, а не Землю, все намного упрощается. Траектории планет принимают вид эллипсов. Схематичное представление гелиоцентрической системы мира показано на рисунке 3. 

 Гелиоцентрическая система мира оказалась настолько важным открытием, что считается ни много ни мало началом первой научной революции. Ее так и назвали коперниканской революцией. Отказ от устаревшей модели с Землей в центре Вселенной стал революционной перестройкой не только в астрономии, но и во всей мировой науке. Он изменил образ мышления ученых и исследователей.

 Одним из виднейших последователей Н. Коперника (коперниканцем) был итальянский философ, поэт и астроном Джордано Бруно. Однако против гелиоцентристов развернули настоящую борьбу, так как геоцентризм был официальной теорией Римско-католической Церкви. В 1600 г. за свои научные и философские взгляды Бруно был казнен как еретик. Давайте разберемся, почему церковь была против теории Коперника.

Теории происхождения Вселенной

 После принятия и распространения гелиоцентрической системы мира, правильного представления о Земли и ее месте в космосе, человек задумался о масштабах, строении и происхождении Вселенной.

 Мы все живем в загадочной Вселенной, и, несмотря на то, что в мире науки практически ежедневно совершаются громкие открытия, до сих пор никто не смог ответить на вопрос: откуда взялась материя, энергия, космос и время. Как появилась наша Вселенная? В вопросах без ответов есть своя прелесть, такие вопросы открывают безграничное поле для дискуссий и формируют различные теории происхождения вселенной. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает.

 Теорий возникновения Вселенной много, их все можно условно разделить на две категории. На рисунке вы можете ознакомиться с ними.

1. Религиозная теория возникновения Вселенной.

 Первые объяснения строения Вселенной давала религия. Согласно этой теории бог или боги или некая божественная сила создала Вселенную. На основе этого утверждения базируется философия основных мировых религий: христианства, ислама, иудаизма и даже буддизма. В каждой из этих религиозных традиций присутствует положение, утверждающее, что бог (боги) существовали до сотворения Вселенной, и именно Всевышний стал ее автором. Данная теория популярно представлена в одном из разделов Библии под названием Книга Бытия. По “Библии” мир был сотворен богом-творцом в 5508 г. до Р.Х. Оттуда мы узнаем о том, что Вселенная и все, что ее населяет, были созданы за шесть дней. Идея о существовании высшей силы длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, ведь именно в это время было накоплено много знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика). Эти знания были доступны человеку, в отличие от средневековья, когда большинство людей были безграмотны и даже не умели читать. А как известно, чем больше человек знает, тем больше он стремится узнать.

 2. Космологическая теория возникновения Вселенной.

  Вплоть до XX века многие ученые занимались изучением сложных понятий «пространство» и «время». И естественным образом они пытались полученные результаты связать с теорией возникновения Вселенной. По их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью. Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался Эммануил Кант, который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что «в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида». Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.

 3. Теория возникновения Вселенной Эйнштейна.

 В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной. Модель Вселенной - по Эйнштейну - имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.

 4. Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга и его антропический принцип.

 Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга (английский физик-теоретик, космолог и астрофизик, писатель) нашего современника, стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным. Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга. В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10-53. Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 1020. Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.

4. Космология и квантовая физика.

 Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и субатомных частиц. Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации. Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель – это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера. Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.

5. Теория большого взрыва.

Теория большого взрыва является основной. Прежде чем переходить к объяснения, необходимо дополнительно разобраться с понятиями элементарные частицы и силы. 

 Элементарные частицы– это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными. Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения– главный факт их существования. Все частицы имеют двойников– античастицы.

Понятие сила, возникает когда два или несколько тел взаимодействуют между собой. В современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы – точной количественной меры взаимодействия (примером может служить выражение "я тяну коробку с силой 15 Н"); во-вторых, сила означает наличие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия. Здесь понятие силы стоит понимать следующим образом: когда два тела взаимодействуют друг с другом (сталкиваются, соприкасаются и др.), они друг на друга воздействуют с силой, в результате чего происходит обмен энергией. примером могут служить бильярдные шарики, один шарик покоится другой налетает на него, происходит взаимодействие, в результате которого, оба шара начинают двигаться. Иными словами понятия сила и энергия очень близки. Рассмотрим какие силы есть в природе. На рисунке 5 представлены 4 вида фундаментальных сил.

 Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел, происходит это потому что источником гравитационных сил является масса. Поэтому чем больше массы тел, тем сильнее гравитационные силы, возникающие при их взаимодействии. Гравитационные силы царят в космосе, ведь массы небесных тел огромны. Радиус действия гравитационных сил, то расстояние на котором они работают, равен бесконечности.

 Электромагнитные силы действуют на заряды как неподвижные, так и движущиеся. В качестве заряженных частиц могут выступать: электроны, ядра атомов, ионы и др. Поскольку любое вещество построено их перечисленных частиц, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни - это электромагнитные силы. Ими являются: силы упругости, возникающие при деформации тел; силы трения, возникающие при соприкосновении тел.

Источником слабого взаимодействия (ядерные силы) и сильного взаимодействия являются мельчайшие частицы: протоны, нейтроны, элементарные частицы. В силу их маленького размер, эти силы заметны лишь в микромире. Но масштабы их, при выделении колоссальны (примером может служить ядерная реакция-распад ядра, которая сопровождается выделением больного количества энергии).

Теперь подробно ознакомимся с теорией Большого взрыва. Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что Вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией Большого взрыва.

 Согласно теории Большого взрыва  вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время — около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем. Выше мы перечисляли другие гипотезы возникновения Вселенной, но теория Большого взрыва получила самое широкое признание и популярность, так как она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.
 

На рисунке 5 приведена хронология событий в теории Большого взрыва, давайте рассмотрим все поэтапно. 

 Первый этап (начало около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной). В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, здесь царили только силы гравитации. Бесконечная температура и высокая плотность сделали материю крайне нестабильной и в результате произошел большой взрыв.

 Второй этап. После взрыва произошли периоды расширения и охлаждения материи, которые привели к возникновению фундаментальных сил (гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые) физики. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма. Далее температура понижалась еще больше (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).

 Третий этап называется "эпоха инфляции". Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению. Расширение происходило в геометрической прогрессии (из математики вам известно, что скорость геометрической прогрессии велика). Большая скорость привела опять к нагреву Вселенной до огромной температуры, беспорядочное движение частиц происходило со скоростью света. Как известно, при взаимодействии частиц они могут образовать пары, так и происходило: образовывались пары частиц и античастиц. Частицы "победили" античастицы", с этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя. 

 Четвертый этап. Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме (в которой они сейчас и существуют). Образовались протоны, нейроны и электроны, которые в последствие и образовали первые атомы, атомы в свою очередь образовали молекула, а молекулы вещество.

 Пятый этап. В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.

Теперь давайте посмотрим видео, на котором показана модель Большого взрыва.

 Принимая теорию Большого взрыва как основную, и зная, что основных положением этой теории является то, что начало связанно с отправной точной "частицей", естественно встает вопрос: какова конечная точка развития Вселенной, и на каком этапе эволюции мы сейчас находимся, каковы масштабы Вселенной. И много других вопросов. Чем четче мы будем понимать как возникла Вселенная, тем правильнее мы сможем составить модель ее дальнейшего развития. На основании теории Большого взрыва ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной. Согласно первому, получившему название «большое сжатие», Вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы Вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Второй сценарий гласит, что если плотность во Вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название «тепловая смерть Вселенной», расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.

Список использованных источников:

1. Астрономия. 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. : Просвещение, 2018. – 144 с. : ил. – (Сферы 1-11) – ISBN 978-5-09-053903-6
2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 23-е изд. М.: Просвещение, 2014. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 9798-5-09-032373-4.