Лекция 18 Естественнонаучные концепции развития 1 Тонкая подстройка

Лекция 18. Естественнонаучные концепции развития 1. Тонкая подстройка Вселенной. Антропный принцип. 2. Теория эволюции Вселенной. 2/17/2018 1

1. Тонкая подстройка Вселенной. § В развитии самоорганизующихся систем любого уровня сложности различают два этапа: эволюционный и скачок. 1. Первый – качественно не меняет систему; 2. Второй – выводит систему из кризисного состояния в качественно новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности, структурности. § Новая концепция развития укладывается в трехчленную формулу: системность, динамизм, самоорганизация. 2/17/2018 2

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Системность – это общий системный подход, основанный на том, что Вселенная – это самая крупная система, имеющая свою историю от возникновения до наших дней и далее. На определенных этапах своего развития Вселенная создает разномасштабные подсистемы, характеризующиеся открытостью и неравновесностью. 2/17/2018 3

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Динамизм – невозможность существования системы вне развития, вне движения. Это свойство системы любого порядка, масштаба. § Самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. 2/17/2018 4

1. Тонкая подстройка Вселенной. § В процессе усложнения систем выделяют два взаимоисключающих механизма: объединение частей и разделение (фракционирование) систем: 1. Субъядерный и ядерный уровни – объединяющие силы (сильные яд. взаимодействия) и фракционирование (слабые яд. взаимодействия); 2. Атомный уровень – функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитные взаимодействия; 3. Молекулярный уровень – э. м. в. в виде химических и Ван-дер-Ваальсовских сил; 4. Вселенная – объединение (гравитационные взаимодействия) и фракционирование 2/17/2018 5 (эл. магн. взаимодействия).

1. Тонкая подстройка Вселенной. § § § С усложнением системы изменяются проявление сил объединения и фракционирования, но всегда в их основе лежат 4 фундаментальных взаимодействия. Важной особенностью самоорганизации является информативность, т. е. способность системы создавать, накапливать, хранить и использовать информацию, в том числе и о направлении своего развития. Без информативности трудно объяснить механизм направленного развития. Современная наука пока решила этот вопрос только на уровне генного механизма. 2/17/2018 6

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо. § В критических точках (бифуркаций) господствует случайность. В таких состояниях (сингулярности) нельзя предугадать новое устойчивое состояние, в которое система перейдет в ходе скачка. § Определение места и роли жизни в развивающейся Вселенной связано со следующими проблемами: 1. определением ближайшей точки, в которую толкает мир направленное развитие; 2. 2/17/2018 феномен «тонкой подстройки» Вселенной. 7

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Осмыслив первую проблему можно установить роль жизни в происходящем движении, ее предназначение. § Направленность развития есть данность, изначально присущая материи. Значит появление человека, разума имеет какойто смысл, предназначение. Может быть дальнейшее развитие системы требует осознанного продвижения? Пока на эту проблему нет ответа. 2/17/2018 8

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Феномен «Тонкая подстройка» Вселенной (ТПВ) начался с наивного вопроса: Почему физические постоянные (ФП: константы фундаментальных взаимодействий, постоянная Планка, Больцмана, заряд и масса электрона, протона нейтрона, скорость света) имеют такие, а не иные значения, и что случилось бы со Вселенной, если бы они оказались другими? § Правомерность вопроса определяется тем, что численные значения ФП теоретически не обоснованы. Они получены экспериментально и независимо друг от друга. Выдвижение конкретной величины в ранг ФП осуществляется интуитивно. Некоторые ФП таковыми не 2/17/2018 9 являются!

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Существуют очень узкие «рамки» в выборе подходящих значений ФП, допускающие, существование знакомой нам Вселенной. Природа с очень высокой точностью «подогнала» большое число независимых параметров для того, чтобы стал возможным процесс нарастания сложности и упорядоченности вещества. § Совокупность многочисленных случайностей такого рода называется «тонкой подстройкой» Вселенной. 2/17/2018 10

1. Тонкая подстройка Вселенной. § Вероятность каждого подобного события очень мала, а уж их совместное существование и вовсе невероятно. Вполне обоснованной представляется постановка вопроса о существовании пока непознанных закономерностей, способных организовать Вселенную определенным образом 2/17/2018 11

1. Тонкая подстройка Вселенной. Примеры: 1. Увеличение постоянной Планка более чем на 15% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, т. е. делает невозможным протекание нуклеосинтеза; 2. Аналогично при увеличении массы протона на 30%; 3. Уменьшение ФП на 10% открыло бы возможность образования устойчивого ядра гелия, следствием чего явилось бы полное выгорание водорода на ранних стадиях расширения Вселенной. 2/17/2018 12

1. Антропный принцип § Устройство макромира определяется свойствами составляющих его микрочастиц. Только при наличии «ТПВ» Вселенная может создавать элементы нарастающей сложности, большей упорядоченности. § На определенной стадии развития появляется «наблюдатель» , способный обнаружить существование «ТПВ» и задуматься о породивших ее причинах. § У наблюдателя возникает вопрос: Случайны ли обнаруженные им явления или они предопределены каким-то глобальным процессом самоорганизации? 2/17/2018 13

1. Антропный принцип § С самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе ее развития: 1. Создание условий для появления «наблюдателя» является целью развития Вселенной; 2. «Наблюдатель» - это ступень к решению последующих задач развития. § Оба вывода равносильны признанию существования у природы определенных целей, в противовес стохастическому, случайному в проявлении природных процессов. 2/17/2018 14

1. Антропный принцип § В 70 гг прошлого столетия был выдвинут Антропный принцип: слабый и сильный ( 2 варианта) 1. -то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям , необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя; 2. - Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель. 2/17/2018 15

1. Антропный принцип 1. Сам факт появления человека уже предопределяет то, что он увидит и современную Вселенную и наличие в ней «ТПВ» . Человек увидит только то, что ему дано увидеть! 2. В трактовке сильного АП проявляются две противостоящие линии: § Позиция стохастических природных процессов, множественность рождения Вселенных, случайный набор ФП и физических законов, ТПВ; § Предположение о самоорганизации единственной Вселенной, чем определяется ТПВ, наблюдателя и той направленности развития в ней. 2/17/2018 16

1. Антропный принцип § § § Следовательно в родившейся Вселенной потенциально заложено ее будущее, а процесс развития приобретает целенаправленный характер. Появление разума не только заранее «запланировано» , но и имеет определенное предназначение, который проявит себя в последующем процессе развития. Если человечество продолжит свое развитие, то может быть в будущем оно осознает свое предназначение во Вселенной! 2/17/2018 17

2. Теория эволюции Вселенной. § Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени, пространстве и бесконечно разнообразный по своим формам. § Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой. Размеры Метагалактики велики – радиус космологического горизонта составляет 15 -20 млрд. световых лет. § Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Предмет – весь окружающий мегамир. Задача – описание наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. 2/17/2018 18

2. Теория эволюции Вселенной. § Современная астрономия открыла: грандиозный мир галактик, расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение и т. д. § Все теории и утверждения космологии носят вероятностный характер. § Космологией были предложены различные гипотезы эволюции Вселенной: модель стационарной Вселенной, модель ядерной капли, модель пульсирующей Вселенной, стационарная модель, модель «Большого взрыва» , модель горячей Вселенной, модель расширяющейся Вселенной и т. д. 2/17/2018 19

2. Теория эволюции Вселенной. § Космология разработала ряд математических теорий эволюции Вселенной, наиболее известными являются: статическая модель Ньютона, первая релятивистская модель Вселенной (статическая Вселенная) А. Эйнштейна 1917 г. , модель В. Ситтера, модель изменяющейся Вселенной А. Фридмана, 1924 г. , модель Ж. Леметра, теория горячей Вселенной Г. Гамова, 1940 гг. и т. п. § Расширение Вселенной научно доказано экспериментами Э. Хаббла 2/17/2018 20

2. Теория эволюции Вселенной. § 1. 2. 3. 4. 5. Ученик А. Фридмана амер. ученый Г. Гамов разработал модель горячей Вселенной (Космология Большого взрыва): Возраст Вселенной 13 -20 млрд. лет; Эра адронов, продолжительность 0. 0001 с, температура 1012 К; Эра лептонов, 10 с, 1010 К; Фотонная эра, 1 млн. лет, от 1010 К до 3000 К; Звездная эра, 2/17/2018 21

2. Теория эволюции Вселенной. § § § Движущей силой процесса эволюции Вселенной являлись глубинные свойства физического вакуума, поля и вещества, а далее 4 фундаментальных взаимодействия. Объединение протонов и нейтронов в составные ядра атомов (нуклеосинтез ) протекает с участием ядерных сил на расстояниях <10 -15 м при энергии < энергии связи 1 млрд. градусов. Электрические заряды препятствуют прямому объединению протонов. В 20 годы прошлого века американский ученый Г. Гамов открыл возможный путь нуклеосинтеза нерезонансный захват нейтрона протоном. 2/17/2018 22

2. Теория эволюции Вселенной. § § p + n = дейтерий; p + n = тритий. p + n →p + ( p + e + γ ) Атомы с магическими числами 5 и 8 нежизнеспособны. Они быстрее распадаются, чем образуются. Этот барьер физики назвали – «щелью масс» . Вселенная расширяется и через полчаса нейтроны оказались связанными с частью протонов, температура около 300000 К. Изза преобладания в барионном веществе протонов над нейтронами содержание ядер гелия составило 22 -28%, остальное ядра водорода. 2/17/2018 23

2. Теория эволюции Вселенной. § Барионное вещество – это ничтожная часть Вселенной, т. к. 69% ее составляли фотоны, а 31% - нейтрино. Нейтрино образовали обособленный нейтринный газ, не взаимодействующий с другими составляющими. Фотоны взаимодействовали со свободными электронами, поэтому смесь барионов и электронов была не прозрачной для излучения. Такое состояние сохранялось в течении 500000 лет, в то время как происходило охлаждение и расширение Вселенной. 2/17/2018 24

2. Теория эволюции Вселенной. § § К моменту, когда радиус горизонта Вселенная достиг 100 млн. парсек ( 1 парсек = 3. 3 световых года = 1016 м), а температура снизилась до 3000 К в однородной и изотропной Вселенной произошла рекомбинация – объединение ядер с электронами, что привело к исчезновению свободных электронов. Барионное вещество стало прозрачным для излучения. Излучение отделилось от барионного вещества и образовалось реликтовое излучение. Реликтовое излучение экспериментально обнаружено англ. радиофизиками А. Пензиасом и Р. Вилсоном в 1964 г. 2/17/2018 25

2. Теория эволюции Вселенной. § § § После рекомбинации Вселенная содержала смесь трех невзаимодействующих субстанций: лептоны( нейтрино и антинейтрино ), реликтовое излучение ( фотоны ) и барионное вещество ( водород, гелий и их изотопы ); Этап рекомбинации вещества во Вселенной дал старт следующему периоду ее развития – периоду формирования разномасштабных структур. Переход от однородной к структурированной Вселенной занял около 1 -3 млрд. лет. 2/17/2018 26

2. Теория эволюции Вселенной. § Характерные черты этого периода: 1. значительные вихри, мощные потоки раскаленного вещества (сотни млн. град. ), длительность периода около 100 млн. лет. Вместе с веществом ушла и энергия. 2. образование звезд, длительность около 1 млрд. лет; Звездный нуклеосинтез; 3. ударные волны; 4. электромагнитные и 2/17/2018 27 гравитационные явления.

2. Теория эволюции Вселенной. 2/17/2018 28

2/17/2018 29

2/17/2018 30

2/17/2018 31

2/17/2018 32

2/17/2018 33

2. Теория эволюции Вселенной. § После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. § Спустя 1 млрд. лет после начала образования Вселенной стали появляться галактики и звезды. Вещество остыло, стали появляться стабильные флуктуации плотности и случайные уплотнения вещества. § Несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается и его плотность нарастает, что и привело к образованию современных галактик и звездных скоплений. 2/17/2018 34

2. Теория эволюции Вселенной. § По внешнему виду галактики можно разделить на три вида: 80% спиральные (ядро и спиральные рукава), 17% эллиптические, 3% неправильные галактики (нет отчетливого ядра). § Галактики различаются размерами, числом звезд и светимостью. § Галактики находятся в движении, причем расстояние между ними постоянно увеличивается. ( разбегание). § Галактики существуют в виде групп. Одиночные галактики встречаются во Вселенной очень редко. § Наша галактика – Млечный путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре – с ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. (толщина =1. 5 тыс. , диаметр =100 тыс. световых лет, возраст =15 млрд. лет, 1011 звезд). 2/17/2018 35

Космический круговорот вещества в галактике Лучевое давление Межзвездный газ, пыль Звезды, ядерный синтез 2/17/2018 36

2. Теория эволюции Вселенной. § Образование звезд принципиально не отличается от создания Вселенной в целом. Все элементы Вселенной образовались в результате термоядерных реакций. § Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации. Под влиянием сил гравитации из облака образуется плотный шар – протозвезда. § Эволюция протозвезды проходит в 3 этапа: 1 – обособление и уплотнение космического вещества; 2 – стремительное сжатие протозвезды; 3 – сжатие, рост температуры, начало термоядерной реакции, рост давления, прекращение сжатия – образование звезды. 2/17/2018 37

2. Теория эволюции Вселенной. § Рождение и смерть звезд в галактике происходят непрерывно. § С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени и ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический состав и масса. Выгоревшее ядро сжимается, а внешняя оболочка расширяется, температура оболочки снижается и звезда переходит в стадию красного гиганта. Наше Солнце это ждет через 8 млрд. лет. § Все планеты Солнечной системы возникли одновременно 4. 6 млрд. лет назад. 2/17/2018 38

2. Теория эволюции Вселенной. Звезды Переменные 1. Пульсирующие 2. (периодические и 3. неправильные); 4. 2. Нестационарные 5. (молодые 6. звезды) 2/17/2018 Кратные 1. Двойные 2. Спектральнодвойные 3. Затменнодвойные 4. Кратные ( 3 и более) Новые по массе 1. Красные карлики 2. Красные гиганты 3. Белые карлики 4. Квазары 5. Черные дыры 39

Варианты развития звезд. Малая звезда главной последовательности Красны гигант Белый карлик Черный карлик Красны гигант Сверхновая звезда Пульсар 1 -1. 2 Большая звезда главной последовательности 2 Очень большая звезда ГП Красны гигант Черная дыра >2 2/17/2018 Коллапс звезды 40

2. Теория эволюции Вселенной. § В современной космогонии доминирует концепция холодного начального состояния планет. § Протопланетная туманность (облако) возникла вместе с Солнцем и имело форму диска. Межзвездное вещество конденсировалось из газа сразу в твердые частицы. § Возникла система колец, которые распались на множество сгустков – планетезималий, сталкивающиеся друг с другом. (миллионы шт. , 105 – 108 лет). § В следствии столкновений образовались крупные образования со своим магнитным полем – планеты. § Расстояние от центра Солнечной системы до последней из планет составляет 5. 5 световых лет. 2/17/2018 41