Естественно-научная концепция развития процессов в природе

Первичные процессы синтеза нуклонов и образования атомов. Самоорганизация Вселенной. Сущность естественно-научной концепции развития. Эволюция Вселенной. Современный этап в развитии космологии. Исследование проблемы начала космологического расширения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Кубанский государственный университет

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

Реферативная работа

по учебному курсу

"Концепции современного естествознания"

Естественнонаучная концепция развития процессов в природе

Работу выполнил

студент Левченко М.Ю.

Ведущий преподаватель

канд. физ.-мат. наук

В.П. Прохоров

Краснодар - 2013



1. Первичные процессы синтеза нуклонов и образования атомов

Объединение протонов и нейтронов (нуклонов) в составные ядра атомов протекает с участием ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10-13 см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо по крайней мере выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизиться до указанных расстояний; их энергия при этом не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение не сможет устойчиво существовать. Поэтому нуклеосинтез (синтез нуклонов) может протекать в интервале температур с верхней границей порядка 1 млрд. градусов.

Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, для преодоления электростатического отталкивания требуются высокие энергии. В условиях же Вселенной на этапе нуклеосинтеза образование составных ядер возможно только на основе соединений протонов с нейтронами. Соединение протона с нейтроном создает ядро дейтерия, с двумя нейтронами - ядро трития. Это два известных изотопа водорода. Образование же ядер других элементов требует, казалось бы, невозможного - объединения двух и большего числа протонов. Американский физик-теоретик Г.А. Гамов (1904-1968) и другие ученые указали возможный путь нуклеосинтеза, в его основе лежит процесс нерезонансного, захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад) и образуется устойчивое ядро из двух протонов, к которым присоединяется еще один или два нейтрона, т. е. возникает ядро с атомным числом 3 или 4 одного из двух изотопов гелия, следующего после водорода элемента таблицы Менделеева.

В принципе такой процесс может повториться с ядром гелия, оно увеличит свой заряд на единицу и станет ядром лития, затем ядром бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования одного за другим ядер всех элементов. Однако в природе переходы от простого к сложному нередко отличаются от наиболее прямых и, в нашем представлении, логичных путей.

Так произошло и в случае нуклеосинтеза в ранней Вселенной. На пути его прямого развития встали элементы с “магическими” числами 5 и 8. Дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с атомным весом 5 или 8, оказывается нежизнеспособной, она распадается быстрее, чем образуется. Тем самым цепочка присоединения нейтронов к ядру с последующим их превращением в протоны "и последовательным увеличением заряда ядра на единицу обрывается в самом начале, не оставляя надежды на получение ядер с числом нуклонов, превышающим 4. Этот барьер на пути нуклеосинтеза физики назвали “щелью массы”.

Таким образом, нуклеосинтез в начальной фазе развития Вселенной не мог образовать наблюдаемого в сегодняшней Вселенной разнообразия химических элементов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом. В соответствии с одной из последних моделей все вещество Вселенной на ранней стадии эволюции начало быстро расширяться. Примерно через полчаса после начала расширения все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия с очень небольшой добавкой дейтерия. А так как температура все еще была высокой, порядка 300 тыс. градусов, то соединение электронов с ядрами (рекомбинация) и образование атомов в таких условиях исключались.

На этом эпизоде заканчивается стандартный сценарий Вселенной. Последующие примерно 500 тыс. лет не происходило ничего заслуживающего внимания. Вселенная продолжала остывать по мере расширения. Оставаясь в целом однородной, она становилась все более разреженной. К моменту времени, когда ее радиус достиг около 100 млн. парсек, а плотность вещества снизилась до 10-22 г/см3, температура составляла примерно 3000 К. В этих условиях электроны получили возможность прочно соединяться с ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Свободные электроны быстро исчезли, в результате прекратилось их взаимодействие с фотонами и барионное вещество Вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуре барионного вещества в момент разделения. В наши дни температура реликтового излучения составляет примерно 3,0 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области примерно от 10 до 0,05 см с максимумом на длине волны около 0,1 см.

Реликтовое излучение экспериментально обнаружено в 1964 г. английскими радиофизиками А.А. Пензиасом (р. 1933) и Р.В. Вильсоном (р. 1936), что стало выдающимся открытием нашего века и серьезным подтверждением концепции горячей Вселенной. Изучение пространственного распределения реликтового излучения дает важную информацию о заключительной, фазе начального периода развития мироздания. В частности, оно подтверждает, что к моменту протекания рекомбинации барионное вещество во Вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.

Первичный нуклеосинтез сформировал водородно-гелиевую Вселенную. Относительное содержание в ней водорода, гелия и их изотопов есть закономерное следствие условий, в которых протекал нуклеосинтез. Если бы удалось определить истинное соотношение концентраций легких элементов в конце нуклеосинтеза, то стал.) бы возможной реконструкция условий, имевших место на ранней стадии развития Вселенной. Однако современной пауке пока не по силам задача достаточно точного определения итогов нуклеосинтеза. В лучшем случае она способна очень приближенно оценить элементный состав современной Вселенной. Экстраполяция таких оценок к периоду первичного нуклеосинтеза ненадежна.



2. Самоорганизация Вселенной

До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательные преобразования вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального охвата всей Вселенной как целого. Движущей сплои самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. В дальнейшем эту роль взяли на себя четыре фундаментальные силы природы.

Ограничимся формальным подходом: присущи ли Вселенной как системе признаки, с точки зрения научных критериев характеризующие ее как самоорганизующуюся (диссипативную) систему, и выполнялись ли на рубеже этапа рекомбинации условия, необходимые для перехода системы в качественно новое состояние? Прежде всего Вселенная как система должна быть открытой, т. е. обмениваться энергией или веществом с некоей окружающей средой. Но что можно считать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем протекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюса магнита. Как предположение можно считать вакуум внешней средой вещественной Вселенной, формальных противопоказаний для этого не видно.

Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества (барионная асимметрия), она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов. Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость.

Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития (на рубеже рекомбинации) характеризовалось температурой около 3000 К и плотностью вещества 3 * 10-22 г/см3. При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.

Между тем наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная “горячей”. Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с час...