умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г

• Название: Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
• Анкор: умкд по астрономии
• Дата: 26.01.2020
• Размер: 4.37 Mb.
• Имя файла: УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017).doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #105805
• страница: 46 из 50

антропный принцип обуславливает закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни на Земле и, вероятно, на многих других землеподобных планетах Метагалактики.

"Я живу и мыслю - следовательно, мир такой, какой он есть", или по-другому, "Мы являемся свидетелями данных процессов потому, что другие процессы протекают без свидетелей" (А.Л. Зельдович). Физика Метагалактики максимально способствует возникновению жизни. Эволюция материи Метагалактики идет в направлении, обусловливающем неизбежное возникновение разумных существ.

Физическое пространство трехмерно и неразрывно связано с временем. В одномерном пространстве все физические системы абсолютно устойчивы - движение материи отсутствует. В четырехмерном и, тем более, n-мерном пространстве все физические системы абсолютно неустойчивы и атомы и молекулы существовать не могут.

Структура Метагалактики устойчива лишь при строго определенных значениях фундаментальных физических постоянных. Между ними и основными характеристиками Метагалактики есть неразрывная связь: .

Законы Всемирного тяготения и Кулона в общем случае имеют вид: , где n - число измерений пространства.

При изменении массы электрона (m_e = 9,10953× 10^-31 кг) всего в 2,5 раза все вещество Метагалактики превратилось бы в нейтроны и нейтрино. Изменение массы протона (m_p = 1,67265× 10^-27 кг) или нейтрона на 0,1% ведет к тем же последствиям. Для того, чтобы Метагалактика была именно такой, какой мы ее наблюдаем, значения фундаментальных физических постоянных не должны изменяться даже на 0,001%.

Например, при  время существования Метагалактики было бы слишком мало для развития жизни, а при  не могли бы образоваться галактики и звезды. Оптимальным является наблюдаемое соотношение .

Если гравитационная постоянная G будет чуть меньше, элементарный электрический заряд е^- чуть сильнее, электрон чуть массивнее (в пределах 0,01% от существующих величин), то все звезды превратятся в красные карлики; при таких же отклонениях в другую строну звезды станут голубыми гигантами.

Необходимое для появления жизни время не может быть меньше времени пребывания звезд на главной последовательности, связанным с возрастом (t_м) и массой (М_м) Метагалактики: .

Время жизни звезд наиболее оптимально - в десятки раз - превосходит время, необходимое для возникновения и развития жизни.

Устойчивость сложных молекул генетического хода живых организмов зависит от свойств химических связей, определяемых значением фундаментальных физических постоянных m_e, a _e и т.д. Эволюция материи в Метагалактике идет в направлении увеличения сложности структур и свойств объектов, начиная с количества атомов в основных элементах объектов и характера их взаимосвязи, с ускорением этого процесса во времени (рис. 82).

Существование и развитие объектов Метагалактики обусловлено внутренними динамическими процессами. Все возникающие объекты, от космических пылинок и туманностей, бактерий и людей, звезд, галактик и, по-видимому, всей Метагалактики в целом являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией. В ходе эволюции возникает способность к воспроизведению подобных объектов и усвоению ими благоприобретенных признаков и свойств.

С увеличением сложности структур упорядоченных систем возрастает их способность к накоплению, запоминанию и хранению информации. Информационная эволюция ускоряет темпы самоорганизации материи и идет в направлении уменьшения возможных наборов элементов, определяющих структуру и функционирование сложных систем. Наборы с наименьшим числом элементов легче восстанавливаются, передаются и тиражируются.

Для атомов число возможных комбинаций протонов и нейтронов в атомных ядрах равно числу изотопов (свыше 1500).

Для молекул возможное число наборов атомов равно количеству элементов таблицы Менделеева - около 100. Для полимеров в растворах – 5 пространственным конфигурациям.

Для живых организмов - количеству нуклеотидов в ДНК и РНК (4).

С увеличением сложности структур возрастает зависимость их существования и развития от физических и химических свойств среды и неизменности внешних условий.

например, температурные границы существования объектов:

- атомов - от 0,5–1 К до 10⁵ К (температура ионизации);

- молекул - от 2-3 К до 10⁴ К (температура диссоциации);

- твердотельных кластеров (объектов, содержащих минимальное число атомов для проявления всех макроскопических свойств данного вещества) - от 10-15К до 5× 10³К;

- микроорганизмов - от 200 К до 700 К;

- человека - от 308 К до 312 К.



Рис. 82. Эволюция материи в Метагалактике:
1. Атомные ядра
2. Атомы
3. Молекулы (наиболее сложные молекулы межзвездной среды содержат до 13 атомов)
4. Пылинки, частицы вещества, содержащие до 100 атомов
5. Гигантские молекулы-полимеры
6. Одноклеточные живые организмы
7. Хордовые (позвоночные)
8. Человек

Вышесказанное определяет условия, необходимые и достаточные для проявления и развития жизни, возможное время ее возникновения в Метагалактике и на Земле, основные темпы и направления эволюции живых организмов. Белковая жизнь могла возникнуть на землеподобных планетах у звезд II поколения 6 миллиардов лет назад (на Земле она возникла около 4 миллиардов лет назад). Первые цивилизации Метагалактики могли возникнуть (ориентировочно) 2 - 1,5 миллиарда лет назад.

Вероятность образования метагалактик, в которых могут существовать стабильные структуры - атомы, молекулы, планеты и звезды - ничтожно мала. Возможно, наша Метагалактика - единственная, в которой может существовать жизнь и разум, среди 10⁵ или даже 10¹⁰⁰ других метагалактик нашей Мини-Вселенной!

Завершает урок рассказ о возможных вариантах дальнейшего развития Метагалактики и определение Вселенной с точки зрения современной физики.

Дальнейшая эволюция Метагалактики зависит от ее массы и средней плотности вещества. Если средняя плотность Метагалактики r _М выше критической плотности r _к, где , r _к » 10^-29 г/см³, то расширение Метагалактики со временем прекратится и сменится ее сжатием до сингулярного состояния. Если r _M < r _к, Метагалактика будет неограниченно расширяться. Согласно последним данным, средняя плотность Метагалактики отличается от критической плотности не более чем на 12%.

В настоящее время средняя плотность галактического вещества r _г » 3× 10^-31 г/см³, однако масса каждой галактики много больше общей массы всех наблюдаемых в ней объектов. Видимое (наблюдаемое) вещество составляет менее 5% плотности Метагалактики, а невидимое, "темное", неизвестной природы, – свыше 95%! Первые попытки изучения распределения скрытого вещества в пространстве Метагалактики показали, что оно неоднородно и обладает сложной волокноподобной структурой.

Большинство ученых считает, что в зависимости от "скрытой массы" всех ненаблюдаемых в настоящее время объектов средняя плотность всех видов материи Метагалактики выше r _к и составляет от 0,1r _к до 1r _к. Вероятно, основной вклад в "скрытую массу" Метагалактики (до 90%) делают частицы нейтрино, обладающие массой 0,5-5 эВ. Оставшиеся 10 % "скрытой массы" могут составлять массивные, сильно поглощающие свет облака молекулярного водорода, коричневые карлики, остатки массивных звезд: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, многочисленные планетные тела и т.д. В настоящее время ученые исследуют большое число моделей Мини-Вселенной с разным соотношением и составом "горячего" (состоящего из микрочастиц с высокой энергией) и "холодного" скрытого вещества.

Неограниченное расширение Метагалактики (Вселенной)

Рис. 83. Основные этапы эволюции Вселенной

От соотношения r _M ¤ r _к зависит очень важная геометрическая характеристика Метагалактики - кривизна ее пространства. При r _M ¤ r к =1 она равна нулю, и для всей Метагалактики справедлива геометрия Евклида. При наблюдаемой r _M  r _к кривизна пространства очень мала и ее невозможно обнаружить современными приборами.

Возможные пути дальнейшей эволюции Метагалактики:

По мере исчерпания запасов межзвездного газа процесс звездообразования будет замедляться, пока не прекратится совсем.

"Звездный" этап эволюции нашей Галактики закончится через 10¹³ лет.
"Звездный" этап эволюции Метагалактики закончится через 10¹⁴ лет.

При случайных сближениях звезд происходят возмущения планетных орбит, в результате которого планеты могут покидать свои светила. Полный распад планетных систем завершится через 10¹⁷ лет.

В итоге гравитационного взаимодействия между собой звезды будут время от времени приобретать II космическую скорость относительно своих галактик и покидать их пределы, уменьшая массу галактик. В то же время другие звезды под действием сил тяготения будут стягиваться к центрам своих галактик, образуя там сверхмассивную, растущую черную дыру. Хотя массы центров галактик будут возрастать, их размеры уменьшатся и сила притяжения к ним будет слабеть, особенно во внешних зонах галактик, которые будут постепенно "рассасываться" в окружающем пространстве (рис. 84-85). Светимость галактик будет уменьшаться, они будут тускнеть и краснеть: их будут населять многочисленные красные, белые и черные карлики, нейтронные звезды, черные дыры и редкие красные гиганты.

Существенное изменение структуры нашей Галактики произойдет через 10¹⁵ лет.



Через 10¹⁹ лет все галактики полностью распадутся: 90 % звезд и других космических тел - продуктов звездной эволюции рассеются в пространстве, оставшаяся масса вещества сосредоточится в черных дырах.

За 10¹⁷ лет все белые карлики остынут до равновесной температуры 1-3 К; за 10¹⁹-10²⁰ лет до той же равновесной температуры 100 К остынут все нейтронные звезды, а температура реликтового излучения упадет до 10^-13-10^-20 К. Дальнейшее понижение температур затянется из-за выделения энергии при распаде элементарных частиц (протонов и нейтронов) на электроны, позитроны, фотоны и нейтрино.

Через 10³⁰-10³² лет все вещество Метагалактики полностью распадется, превратившись в излучение и электронно-позитронную плазму, а размеры ее будут в 10¹³-10²⁰ раз превышать современные. Останутся черные дыры, но и они не вечны: в результате квантовых эффектов они будут "испаряться" с образованием электромагнитного, нейтринного и гравитонного излучения. Черные дыры с массой 10 M¤ "испаряются" за время 10⁶⁹ лет; сверхмассивные черные дыры (M10¹⁰ M¤ ) превратятся в излучение за 10⁹⁶ лет.



Рис. 85. Конечные этапы эволюции (распад) галактик

Через 10¹⁰⁰ лет Метагалактика будет состоять из крайне разреженной электронно-позитронной плазмы, с плотностью 1 частица на  м³ пустого пространства!

Таков сценарий развития Метагалактики и Мини-Вселенной при их неограниченном, неостановимом расширении.

Другие варианты развития Мини-Вселенной предполагают постепенное замедление ее расширения и обращение процесса вспять: сжатие Мини-Вселенной вплоть до состояния сингулярности с последующим новым расширением. Масса и энергия замкнутой Мини-Вселенной не сохраняются. При уменьшении размеров Метагалактики длина волны некогда испущенных звездами фотонов уменьшается, а их энергия соответственно увеличивается и на определенной стадии сжатия Метагалактики начинает превышать свое начальное значение. Полная энергия Мини-Вселенной при сжатии больше, чем при ее расширении, поэтому каждый последующий цикл пульсации Мини-Вселенной Т_В продолжительнее предыдущего:



Рис. 86

Ввиду близости средней плотности вещества Метагалактики к критическому значению фаза сжатия сменит фазу расширения довольно поздно, не ранее, чем через 10²⁹-10³⁰ лет, когда Метагалактика будет состоять из электронно-позитронной плазмы, сверхмассивных черных дыр и немногочисленных остатков распадающихся белых карликов и нейтронных звезд. При сжатии Метагалактики фотоны нагревают, взрывают или испаряют эти звездные "огарки". Черные дыры интенсивно поглощают излучение и вещество, растут, сближаются и при столкновениях сливаются. Миллиарды лет спустя вся материя Мини-Вселенной сконцентрируется в единой Гипермассивной черной дыре, коллапсирующей вплоть до состояния сингулярности.

Рис. 87. Схема эволюции вечно воспроизводящей себя Вселенной. Точечные круги - Мини-Вселенные с плотностью материи 1074–1094 г/см3; с увеличением размеров плотность уменьшается

Теория осциллирующей (пульсирующей) Вселенной описывает многочисленные смены поколений Мини-Вселенных с возрастающими значениями r _в. Согласно этой теории, "вечно юная" Вселенная находится в основном в состоянии "кипящего" сверхплотного вакуума, постоянно рождающего новые миры (рис. 87).

Квантовые колебания вакуума - первичные нарушения однородности и изотропности инфляционной Мини-Вселенной изучал в последние годы жизни академик А.Д. Сахаров.

Если ввести понятие суперпространства, то можно с помощью введения волновой y -функции оценить вероятность возникновения (существования) Мини-Вселенной и метагалактик с тем или иным набором значений фундаментальных физических постоянных и разными формами физических законов:  где R_м - радиус метагалактики, r _м - средняя плотность ее материи,  - мнимая единица, j - вероятность существования данной Мини-Вселенной (метагалактики), Е - энергия, выделяющаяся при ее возникновении, D t - время ее существования.

Рис. 88

Возможные варианты решения отражены на графике (рис. 88). Каждая точка прямой - Мини-Вселенная с определенным набором фундаментальных физических постоянных.

Вышесказанное позволяет сформулировать новое определениеВселенной:

Вселенная - это физический вакуум n-мерной размерности, в котором спонтанно возникают Мини-Вселенные с различными наборами физических закономерностей и различными размерностями наборов взаимодействий между частицами и численными значениями фундаментальных физических постоянных.

tВ, с			rм, г/см3	Т, К
1040		Лептонная пустыня
	1038	Распад протонов и нейтронов на лептоны
1030		Все звезды превращаются в белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры
		Истощение запасов межзвездного газа и прекращение звездообразования
1020
	1018	Смерть Солнца		1
	1016	Современная эпоха Возникновение Солнечной системы, рождение Земли	10-30	2,7
		Рождение Солнца
		– эпоха нормальных галактик – эпоха активных галактик Образование галактик: – эпоха квазаров
	1012
1010		– Эпоха рекомбинации – Образование атомов, свет отделяется от вещества	10-12	4× 103 105
			0
	102	Образование ядер гелия	106
1	1	Образование ядер тяжелых элементов (Li, Be, B, O, N, C)	1012	1010
		Возникновение "возмущений плотности"
10-10		Выделяется слабое взаимодействие		1015
		Выделяется электромагнитное взаимодействие
10-20	10-5	Образование барионов и мезонов из кварков	1013	1020
		Появление кварков и антикварков Возникновение барионной ассиметрии		1025 1026
10-30		Распад Х- и У-бозонов
	10-33	– Возникновение Метагалактики –		1029
10-36		– Фаза инфляционного раздувания Мини-Вселенной – Выделяется сильное взаимодействие
10-40		Выделяется гравитационное взаимодействие
	10-43	Возникновение Мини-Вселенной возникновение классического пространства-времени	1074	1030
		Сингулярное состояние материи (фундаментальные взаимодействия неразличимы между собой)	1094
		БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ	¥

Рис. 89. Основные этапы эволюции Метагалактики