Макромир. Космическая эволюция

В макромире материальные объекты имеют резко выраженную прерывную, корпускулярную или непрерывную, волновую природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г.Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Основные этапы космической эволюции: начальное состояние вселенной; этап большого взрыва; первичный ядерный синтез; формирование галактик.

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет. Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарной частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке выдвинут так называемый антропный принцип в космологии. Суть его заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной — в 4 000 млн paз больше, чем у воды. В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т. д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическая механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимает почетное место среди других естественных наук. С ее помощью, например, рассчитывается движение искусственных спутников Земли, других космических объектов и т. д. Но трактуется она теперь как частный, случай квантовой механики, применимый для медленных движений и больших масс объектов макромира.

Эволюция Земли. Согласно современным космогоническим представлениям, Земля образовалась 4,5 миллиарда лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве холодного газопылевого вещества, содержавшего все известные в природе химические элементы. Падение крупных сгустков вещества вызывало нагрев прото-Земли и ее расслоение. Тяжелые железосодержащие породы опускались глубже, за несколько сотен миллионов лет формируя ядро, легкие каменистые породы образовывали кору. Гравитационное сжатие и радиоактивный распад еще больше разогревали внутренние области нашей планеты. Из-за убывания температуры от центра Земли к поверхности возникали очаги напряженности на границе с корой. Их результатами и по сей день являются землетрясения и дрейф материков. Атмосфера и гидросфера выделились из недр нашей планеты, поскольку вода и газы входили в состав земных пород. Кислород появился в атмосфере из воды в результате фотодиссоциации, а впоследствии из-за фотосинтеза. В 1912 году, сравнивая очертания береговой линии Африки и Южной Америки, немецкий ученый Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. Она была подтверждена исследованием дна океана и магнитных свойств лавовых потоков на поверхности. Были зарегистрированы также 16 инверсий магнитных полюсов с северного на южный и обратно за последние десять миллионов лет. В 1960 году американский геолог Гарри Хесс предположил, что горячая мантия поднимается под срединно-океаническими хребтами, распространяется в стороны от них, разрывая и расталкивая литосферные плиты. Вещество мантии заполняет образовавшиеся трещины – рифты. «Уничтожение» же участков поверхности Земли происходит, скорее всего, вблизи океанских желобов. Сейчас считается, что 300–200 миллионов лет назад существовал единый суперматерик Пангея. Затем он распался на части, которые сформировали нынешние материки. Дальнейшее остывание Земли приведет к прекращению тектонической деятельности. Эрозия сотрет горы, и поверхность Земли станет плоской и покроется океаном. Из-за увеличения светимости Солнца в далеком будущем океан испарится, обнажив ровную безжизненную пустыню.