Научная картина мира

История Вселенно й Рождение Вселенной В соответствии с данными космогонии , Вселенная возникла в результате взрывн ого процесс а , получившего название Большой взрыв , произошедше го около 14 млрд . лет назад . Теория Большого взрыва хорош о согласуется с наблюдаем ыми фактами (например , расширением Вселенной и преоб ладанием водорода ) и позволила сделать верные предсказания , в частности , о существовании и параметра х реликтового излучения . В момент Большого взрыва Вселенная зан имала микроскопические , квантовые размеры. В соответс твии с Инфляци онной моделью , Большой взрыв порождён флуктуацией вакуума , находящимся в особом состоянии , называе мом ложным вакуумом или инфлатонным скалярным полем . Причина флуктуации — квантовые колебания, которые испытывает любой объект на квантовом уровне ; вероятность кру пной флуктуации низка , но отлична от нуля . В результате флуктуации вакуум вышел из состояния равновесия (подобно тому , как ш арик , прыгающий в ямке , может из неё вы скочить при достаточно с ильном прыжке , см . ту ннельный эффект ) и перешёл в новое состояние — обычного вакуума (ново е состояние равновесия , другая ямка в аналогии с ша риком ). В результате фазового п ерехода вакуума из одн ого состояния в другое произошло резкое расширение пространства и образовалось вещество — массивные частицы и излучение . При этом закон сохранения энергии не нарушился в том случае , если энергия частиц и излучения в точности равна отрицательной энергии гр а витац ионного поля . По другой гипотезе энергия в ыделилась в результате перехода вакуума в состояние с меньшим энергетическим уровнем . Появление массы из « ничего» также не противоречит физическим законам , например , рождение пары частица- античастица из ваку ума можно наблюдать и сейчас в неко торых научных экспериментах. Предполагается , что в момент инфляционного расширения Вселенная была пустой и холод ной (существовал только вакуум ), а затем за полнилась горячим веществом , продолжавшим расширя ться. Некоторые физики допускают возможность мн ожест венности подобных событий , а значит и множественность вселенных , обладающих разными свойствами . Тот факт , что наша Вселенная приспособлена для образования жизни может объясняться случайностью — в «менее присп особленных» вселенных просто некому это анали зи р овать (см . Ан тропный принцип и статью [1] ). Ряд учё ных выдвинули концепцию «кипящей Мультивселенной » , в которой непрерывно рождаются новые вс еленные и у этого процесса нет начала и конца. Необходимо отметить , что сам факт Большого взрыва с высок ой долей вероятности можно считать доказанным , но объяснения его причин и подробные описания того , как это происходило , по ка относятся к разряду гипотез . Эволюция Вселенной Расширение и ост ывание Вселенной привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их совре менной форме. Доминирующие гипотезы сводятся к тому , что первые 300 — 400 тыс . лет Вселенная была заполнена только ионизированным водородом и гелие м . По мере расширения и остывания Вселенной они перешли в стабильное нейтральное состояние , образовав обычный газ . Предположительно чере з 500 млн . лет . зажглись первые звёзды , а сгустки вещества , образовавшиеся на ранних стадиях благодаря квантовым флуктуациям , превратились в галактики . В ре зультате термоядерных реакций в звёзд ах были синтезированы более тяжё лые эл ементы (вплоть до углерода ). Во время взрывов св ерхновых звёзд образовались ещё более тяжёлые элементы . В молодых галактиках процесс образо вания и гибели звёзд шёл очень бурно . Чем массивнее звезда , тем быстрее она гибн ет и рассеивает бо м л ьшую часть своего вещества в пространстве , обогащая его разнообразными химическими элементами . После взрывов вещество сгущалось снова , в результате чего зажига лись звёзды следующих поколений , вокруг котор ых образовывались планетные системы . Поэтическая фр а за «мы состоим из пепла давно угасших звёзд» полностью соответствует действительности. Образование планетных систем Образование звёз д и планетных систем изучает наука космогония . Под дей ствием гравитации в газопылевых облаках формируются сгущения с образованием вращающихся газопыле вых дисков . Основная масса вещества концентри руется в центра диска , где растёт темпера тура , в результате чего начинается термоядерная реакция и вспых ивает звезда (рождения звёзд в газопылевы х облаках наблюдались в телескоп ). В остальных частях диска образ уются планеты . Как показывают исследования последних лет , планетные системы вокруг звёзд весьма распро странены (во всяком случае в нашей Галактике ). В Галактике имеется несколько сотен миллиардов звёзд и , по-видимом у , не меньше е количество планет. Со лнечная система образовалась около 5 млрд . лет на зад . Мы находимся в периферийной части нашей Галактики (хотя и достаточно далеко от её края ). Особенностью Солнечной системы является тот факт , что планеты в ней движутся по круговым орбитам . Бо м льшая часть откр ытых внесолнечных планет движутся по вытянутым орбитам. См . также статью происхождение Солнечной системы . Устройство Вселенной Одно из важн ейших свойств Вселенной — она расширяется , причём ускоренно . Чем дальше расположен объ ект от нашей галакти ки , тем быс трее он от нас удаляется (но это не означает , что мы находимся в центре мир а : то же самое справедливо для любой т очки пространства ). Видимое вещество во Вселенной структуриро вано в звёздные скопления — галактики . Галактики образуют группы , которые , в свою очередь , входят в сверхскопления галактик . Сверхскопления сосредо точены в основном внутри плоских слоёв , ме жду которыми находится пространство , практически свободное от галактик . Таким образом , в очень больших масштабах Вселенная имеет яч еистую структуру , напоминающую «ноздреватую» стру ктуру хлеба . Однако на больших расстоя ниях (порядка 1 млрд . световых лет ) вещество во Вселенной распределено однородно. Помимо видимого вещества во Вселенной присутствует тёмная материя , проявля ющаяся через гравитационное воздействие . Тёмная материя также сосредоточена в галактиках . Кроме того , имеется гипотети ческая тёмная энергия , которая является причиной ус коренного расширения Вселенной . По одной из гипотез ( [2] ) в момен т Большого взрыва вся тём ная энергия была «спрессована» в маленьком объёме , что и послужило причиной взрыва (по другим гипотезам тёмная энергия может проявляться лишь на больших расстояниях ). Согласно рас чётам свыше 70 % массы во Вселенной приходится на тёмную энергию (е сли перевести энергию в массу по формуле Эйнштейна ), свыше 20 % — на тёмную материю и лишь около 5 % — на обычное вещество. Устройство прост ранства и материи Пространство и время Понятия пространства и време ни соста вляют основу физики . Согласно классической физике , созданной Исааком Ньютоном , физические взаимодействия разворачиваются в бесконечном трёхмерном пространстве — так называемом абсолютном пространстве , время в к отором может быть померено универсальными часами ( абсолютное время ). В начале двадцатого века учёные обнару жили в ньютоновской физике некоторые противор ечия . В частности , физики не могли обьясни ть , каким образом скорость света остаётся постоянной вне завис имости от того , дв ижется ли наблюдатель . Альбе рт Эйнштейн разрешил этот парадокс в своей специальной теории относ ительности . В соответствии с теорией относительности , пространство и время относит ельны — результаты измерения длины и вре мени зависят от того , движется наблюдатель или нет . Этот эффект проявляется , к прим еру , в необходимости корректировать часы на спутниках Земли. Основываясь на теории Эйнштейна , Герман Минковский создал элегантную теорию , описывающую простр анство и время как 4-х мерное пространство-время (пространство Минковского ). В прос транстве-времени расстояния (точнее , гипер р асстояния , так как они включают время как одну из координат ) абсолютны : они одинако вы для любого наблюдателя. Создав специальную теории относ ительности , Эйнштейн обобщил её на случай грави тации в обще й теорией относительности . В общей теории относительности , массивные тела созда ют гравитационное поле , которое «искривляет» пространство и время. Согласно экспериментальным данным , пространств о нашей Вселенной на больших расстояниях имеет нулевую либо очень мале нькую пол ожительную кривизну . Это объ ясняют быстрым расширением Вселенной в начальный момент , в результате чего элемент ы кривизны пространства выровнялись (см . Инфляционная модель Вселенной ). В нашей Вселенной пространство имеет т ри измерения (согласно некоторым теориям имею тся дополнительные измерения на микрорасстоя ниях ), а время — одно . Обьяснение этому пока не найдено. Время движется только в одном направле нии ( «стрела времени» ), и возврат в прошлое возможе н только в научной фантастике . Фундаментальны е причины этого пока неизвестны . Одно из обьяснений основывается на втором зак оне термодинамики , согласно которому энтропия может только возрастать и поэтому определяет нап равленность времени . Рост энтропии объясняется вероятностными причинами (все физические процес сы обратимы на квантовом уровне , но вероят ность цепочки событий в «прямом» и «обрат ном» напр авлении может быть разной ). Физический вакуум Вакуум не является абсолютной пустот ой . В соответствии с квантовой теорией поля в вакуу ме непрерывно ро ждаются и умирают виртуальные частицы , которые при определённых условиях мог ут превращ аться в реальные . Например , в ряде физичес ких опытов из вакуума рождаются пары част ица- античастица (с превр ащением эн ергии в массу ). Согласно неко торым теориям , вакуум может находится в ра зных состояниях с разными уровнями энергии . Современная наука пока не даёт удовлетвори тельного описания структуры и свойств вакуума . Элементарные частицы Согласно стандартной модели всё ве щество (включая св ет ) состоит из 12 фунд аментальных элементарных частиц и 12 части ц-переносч иков взаимодействий . В это число входят кварк и (из которых состоят протоны и нейтроны ), электроны , фотон ы и другие элементарные частицы . Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуали зм : с одной стороны , частицы предстовляют собой е диные , неделимые объекты , с другой стороны , они в определённом смысле «размазаны» в простра нстве . При определённых условиях та кая «размазанность» может принимать даже макр оскопические размеры . Квантовая механика описывает частицу используя та к называемую волновую функцию , которая определяет не где точно нах одится частица , а где бы она могла нах одиться и с какой вероятностью . Таким обра зом , поведение частиц носит принципиально вер оятностный характер : вследствие вероятностной «ра змазанности» частицы в пространстве мы не мо ж ем с абсолютной уверенностью определить её местоположение (см . принцип неопределённ ости ). Но в макромире дуализм незначителен. Пока неизвестны причины того , почему и меется именно такой набор частиц , причины наличия массы у не которых из них и ряда других параметров . Перед физикой стоит задача построить теори ю , в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума . Взаимодействия В природе су ществуют четыре фундаментальные силы и все физические явления обусловлены всего четырьмя видами взаимодействий (в порядке убывания силы ): · сильное взаимодействие соединяет кварк и в адрон ы и удерживает нуклоны в составе атомного ядра ( действует на расстояниях порядка 10 -13 см ); · электромагнитное взаимодействие действует между частицами , имеющими электрический заряд , и «отве тственно» за явления электромагнетизма ; · слабое взаимодействие обусловлива ет большинство распадов элементарных частиц , взаимодейст вия нейтрино с веществом и др . (действует на расстоянии порядка 10 -16 см ); · благодаря гравитационному взаимодействию объекты , имеющие массу , притягиваются друг к друг у . Согласно новейши м теориям , взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами . Например , электромагнитн ое вз аимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотон а между ними . Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна , предположительно оно п роисходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов . Многие физики-теоретики полагают , что в действительности в природе имеется лишь од но взаимодействие , которое может проявляться в четырёх формах (подобно тому , как всё многообразие химических реакций есть различные проявления о дних и тех же квантов ых эффектов ). Поэтому задача фундаментальной ф изики — разработка теории «великого объедине ния» взаимодействий . К настоящему времени раз работана лишь теория электрослабого взаимодействия , объединивше го слабое и электромагнит ное взаимодейств ия. Как предполагают , в момент Большого взрыва действовало единое взаимодействие , которое разделилось на четыре в первые мгновения существов ания нашего мира. Атомы , молекулы и химические вещества Вещество , с к оторым мы сталкиваемся в повседневной жизни , состоит из атомов . В соста в атомов входит атомное ядро , состоящее из протонов и нейтронов , а также электроны , «вращающиеся» вокруг ядра ( квантовая механика использует понятие «электронное облако» ). Протоны и нейтроны относятся к адрон ам (кото рые состоят из кварк ов ). След ует отметить , что в лабораторных условия х удалось получить «атомы» , состоящие и из других элементарных частиц. Атомы каждого х имического элемента имеют в своём составе одно и то же количеств о протонов , называемое атомным номером или зар ядом ядра . Однако количество нейтронов может различаться , поэтому один хим ический элемент может быть представлен нескол ькими изотопами . В настоящее время известно свыше 110 э лементов , наиболее массивные из которых нестабильны (см . также Таблица Менделеева ). Атомы могут взаимодействовать друг с другом , образуя химические вещества . Взаимодейст вие происходит на уровне их электронных оболочек . Химические ве щества чрезвычайно многообразны . Наука пока не р ешила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ. Жизнь Устройство живых организмов , гены и ДН К Живые организмы состоят из органических веществ . Характеристики организмов кодируются набором генов , в котор ых записана вся наследственная информация . Ко личество гено в может варьировать от не скольких сотен у простейших вирус ов до десятков тысяч у высших организмов (около 30 тыс . у человека ). Носителем генетической информации являетс я ДНК — орга ническая структура в виде двойной спирали . Информация записана с помощью последовательнос ти нуклеотидов . В генетиче ском коде используется всего лишь 4 «буквы»-нуклеотида ; код един для всех живых организ мо в. Генетическая информация реализуется при экс прессии генов в проце ссах транскрипции и трансляции . Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате репликации (самокопирования ДНК ). Помимо генов в ДНК имеются некодирующи е участки , функции которых пока ещё не ясны. Генетика достигла впечатляющих успехов . Учён ые уже умеют внедрять гены отдних организ мов в другие , клонировать живые существа , «включать» и «выключа ть» определённые ген ы и многое другое . Это привносит проблемы морального плана. Принципы эволюции Согласно теории эволюции развитие жизни на Земле , в том числе усложнение живых организмов происходит в результате случайных мутаций и последующего естественного отбора наиболее удачных из них (о механизмах эволюции см . [3] ). Развитие таких сложных приспособлений , как глаз в резул ьтате случайных изменений может показаться не вероятным . Однако анализ примитивных биологически х видов и палеонтологических данных показывает , что эволюция даже самых сложных органов происходила через цепочку небольших изменений , каждое из которых по отдельнос ти не представляет ничего необычного . Ком пьютерное моделирование развития глаза позволило сделать вывод , что его эволюция могла бы осуществляться даже быстрее , чем это происходило в реальности (см . статью [4] ). В целом , эволюция , усложнение систем ес ть фундаментальное свойство природы , воспроизводи мое в лабораторных условиях . Это не против оречит закону возрастания энтропии , так как справедливо для незамкн утых систем (если через систему пропускать энергию , то энтропия в ней может уменьш аться ). Процессы самопроизвольного усложнения изуч ает наука синергетика . Один из примеров эволюции неживых систем — форм ирование десятков атомов на осно ве лишь трёх частиц и образование миллиар дов сложнейших химических веществ на основе атомов. История жизни на Земле Зарождение жизни на Земле представляе т пока не до конц а решённую пробле му . Даже самые примитивые организмы не мог ли образоваться непосредственно из простых хи мических веществ . Поэтому появлению жизни пре дшествовала химическая эволюция , о ходе которой имеются пока ещё только гипотезы. Согласно палеонтологическим данным , первые прокариоты ( бактерии ) появились около 4 млрд . лет назад . Первые эукариоты (клетки с ядром ) образовали сь примерно 2 млрд . лет назад в результате симбиоза прокариот . Первые многоклеточные организмы появились около 1 млрд . лет назад в ре зул ьтате симбиоза эукариот . Около 600 млн . лет назад появились многие знакомые нам животные (например , рыбы , членистоногие и др .). 400 млн . лет назад жизнь вышла на сушу . 300 млн . лет назад появились деревья (с твё рдыми волокнами ) и пресмыкающиеся , 200 млн . лет назад — динозавры и яйцекладущие млекопитающие , 65 млн . ле т назад вымерли динозавры и появились плацентарные млекопитающ ие , около 100 тыс . лет назад появился совреме нный человек (см . Геохронологическая ш кала и сайт [5] ). Происхождение человека Расхождение пред ков современных человекообразных обезьян и че ловека произошло около 15 млн . лет назад . При мерно 5 млн . лет наза д появились первые гоминиды — австралопитеки . Следует отметить , что формирование «человеческих» черт шло одновременно у нескольких видов гоми нид (такой параллелизм в истории эволюционных изменений наблюдался неоднократно ). Около 2,5 млн . лет назад от австралопи теков обособился первый представитель род а Homo — человек умелый ( Homo habilis ), который уже умел изготавливать каменные орудия . 1,6 млн . лет назад на смену Homo habilis пришёл челове к прямоходящий ( Homo erectus , питекантроп ) с увеличенным объёмом мозга . Современный человек (кроманьонец ) появился около 100 тыс . лет наз ад в Африке . Примерно 40 тыс . лет назад к романьонцы перебрались в Европу , вытеснив дру гой вид Homo sapiens — неандертальцев . Ссылки на литературу. 1. Статья академика В . Гинзбурга о нерешённых научных проблемах http://elementy.ru/lib/25524/25530 2. Энциклопедия науки http://elementy.ru/trefil 3. Сайт по эволюции http://macroevolution.narod.ru/