15. Эволюция представлений о Вселенной

    Мы рассмотрели, как изменялись представления об элементарных частицах, из которых построен окружающий мир и увидели, что существует определенная иерархия в построении материи из фундаментальных частиц, размер которых меньше 10^–15 см. Находясь на планете Земля, вплоть до XV века человек считал, что Земля является центром окружающего мира — центром Вселенной. Звезды, Солнце, Луна и планеты считались прикрепленными к хрустальным сферам, вращающимся вокруг Земли. Птолемеем была построена сложная математическая модель, которая предсказывала точное положение планет на небе. Гелиоцентрическая система мира, согласно которой центральное положение отводилось Солнцу, а Земля, так же как и другие планеты, вращалась вокруг Солнца, была создана благодаря трудам Н. Коперника (1473–1543 гг.) и Джордано Бруно (1548–1600 гг.)

Н. Коперник (1473–1573)

    Благодаря Н. Копернику стало известно, что не Земля, а Солнце занимает центральное положение в системе планет. В основе представлений Н Коперника лежит движение Земли и других известных ему планет вокруг Солнца. Сложные траектории планет связаны с тем, что наблюдатель следит за движением планет с движущейся вокруг Солнца Земли. Гелиоцентрическая позиция Н. Коперника сводилась к тому, что Солнце является центром всей Вселенной.

Дж. Бруно (1548–1600)

    В отличие от Н. Коперника Дж. Бруно описывал Вселенную, которая состоит из множества солнц, вокруг которых обращаются планеты. В своем труде «О бесконечности Вселенной и мирах» (1584 г.) он описал Вселенную, состоящую из множества солнц и планет, на которых может быть жизнь.

Иоганн Кеплер (1571–1630)

   Гелиоцентрическая система значительно укрепила свои позиции в результате открытия трех знаменитых законов движения планет И. Кеплера.

Законы Кеплера (1609–1611 гг.)

1. Движение планет происходит по эллипсам в одном из фокусов которых находится Солнце.
2. Линия, соединяющая планету и Солнце, «заметает» равные площади за равные интервалы времени.
3.  Период обращения планеты Т и её расстояние от Солнца R связаны соотношением R³/T² = const, постоянная const имеет одно и то же  значение для всех планет.

    Объяснение движения планет вокруг Солнца было дано И. Ньютоном, показавшим, что сила, с которой Солнце притягивает планеты, есть следствие общего закона взаимодействия между двумя массивными телами.

Исаак Ньютон (1643–1727)

    Согласно закону всемирного тяготения Ньютона гравитационные силы притяжения действуют мгновенно между телами, разделенными пустым пространством. Ньютона интересовало, как происходит передача взаимодействия между телами. Несмотря на многочисленные размышления, Ньютону не удалось найти ответ на этот вопрос.

    И. Ньютон: «Предполагать, что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо, передавая действие и силу, – это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах».

    Для решения проблемы передачи взаимодействия на расстоянии была придумана гипотетическая всепроникающая среда − эфир.

    И. Ньютон: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некото­ром тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниям этого эфира от внешних органов чувств мозгу, от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны».

    Одним из величайших достижений XX века явилось развитие представлений о том, как возникла Вселенная, в которой мы живём, какие основные составляющие Вселенной.
    В начале XX века существовало два взгляда на происхождение Вселенной.

• Вселенная стационарна – научное мнение.
• Вселенная имеет начало и конец – богословие.

    Одно из выдающихся открытий человека состоит в понимании того, что мир, в котором он живет, существовал не всегда. Изучение физических законов окружающего мира, фундаментальных составляющих материи, глобальных космологических структур радикально изменило представление человека о Вселенной и его месте в ней.

Рис. 21. Эволюция Вселенной

    Дж. Ф. Смут: «Согласно теории горячей Вселенной, в начале расширения наша Вселенная находилась в состоянии почти идеального термодинамического равновесия и имела чрезвычайно высокую температуру. С тех пор она продолжает расширяться и остывает. Когда температура во Вселенной упала до 3000 К, в реликтовом излучении перестало хватать достаточно энергичных фотонов для поддержания атомов водорода и гелия в ионизованном состоянии. Таким образом, первичная плазма, состоящая из заряженных ядер, электронов и фотонов превратилась в нейтральные атомы и фоновое реликтовое излучение. Тогда фотоны реликтового излучения стали свободно распространяться в пространстве, уменьшая свою энергию из-за продолжающегося расширения Вселенной, а барионное вещество (в основном водород и атомы гелия) под действием гравитационного притяжения стало собираться в звезды и формировать галактики и более протяженные структуры. Для того чтобы такие структуры смогли образоваться, в распределении первичного вещества и энергии должны были иметься начальные возмущения. Первичные флуктуации плотности вещества, из которых впоследствии сформировались крупномасштабные структуры во Вселенной».

 Космическая шкала времени

Таблица 10

Характеристики Вселенной в настоящее время

Состав Вселенной

• крупномасштабная структура Вселенной
• скопление галактик
• галактики
• звезды
• планеты
• астероиды, кометы
• межзвездный газ
• межзвездная пыль
• межзвездные электромагнитные и гравитационные поля
• космические лучи
• реликтовое излучение
• реликтовые нейтрино
• молекулы, атомы
• атомные ядра
• электроны

Таблица 11

Характерные плотности вещества в различных объектах Вселенной