Антропный космологический принцип

М. К. Гусейханов, Дагестанский государственный университет, Махачкала

Введение

Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем столетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма  физических закономерностей тесно связаны с фактом  структурности Вселенной во всех масштабах - от  элементарных частиц до  сверхскоплений галактик - с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек.

Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно трактуется следующим образом: окружающая нас Вселенная обладает определенными  физическими свойствами и закономерностями, познаваемыми нами. Как в таком случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти, во многом еще не решенные вопросы, зависит возможность существования жизни в других областях Вселенной, в другие времена и направления ее поиска.

Любая физическая теория, например  уравнения Максвелла в  электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен полный набор  начальных данных, поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы обращаемся к  космологии, вопрос о начальных данных и  фундаментальных постоянных неразрывно связан с тем, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной.

1. Современная космология

Наиболее важным в современной  стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в  модели В. де Ситтера. Более поздние промежутки эволюции Вселенной даются в  модели А.А. Фридмана. Возникающая при этом зависимость размеров Вселенной от времени может быть примерно описана кривой, показанной на рис. 1. Время перехода от деситтеровской стадии расширения (1 ) к фридмановской (2 ) обозначено через tF . Физический смысл времени tF в том, что оно показывает момент радикального изменения  закона расширения Вселенной. Переход от одного закона к другому в момент tF означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее  фазового состояния.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де Ситтера на начальной стадии ее эволюции получила название модели раздувающейся Вселенной [1]. По этой модели при вся энергия мира была заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10-35  с. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоднородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление  кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделилась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10-32  с пространство раздулось в громадный раскаленный шар с размерами много большими  видимой нами части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.

В последнее время усиленно обсуждаются причины того первотолчка, который был началом расширений нашей Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в  теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные положения и выводы.

А. Эйнштейн выдвинул идею о существовании космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях динамики Вселенной, то полное ускорение оказывается равным

Ускорение тяготения атяг

а ускорение отталкивания аотт в соответствии с гипотезой Эйнштейна пропорционально R:

$а_{отт} = const cdot R.$

Числовое значение константы в этой формуле можно найти определив среднюю плотность вещества во Вселенной. В настоящее время считается, что очень близко к 10-29 г/см3 и

где - космологическая постоянная, равная ~10-56 см-2.

Рассмотрим случай, когда во Вселенной нет вещества, она пуста. При этом М = 0 и атяг = 0. Динамика Вселенной описывается ускорением аотт. Можно показать, что при этом две  пробные частицы, помещенные в такую пустую Вселенную, будут удалятся друг от друга по закону

Согласно  современным концепциям естествознания, вакуум не пустота, в  физическом вакууме происходят процессы рождения и уничтожения  виртуальных частиц. Это своеобразное кипение вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики, а именно  соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал  Я.В. Зельдович в 1967 году, в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая  плотность энергии и возникает отрицательное давление. Такое вакуумподобное состояние неустойчиво, и с течением времени оно распадается, превратившись в обычную  горячую материю. Энергия вакуумподобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента Вселенная начнет развиваться по известной стандартной космологической горячей модели эволюции. Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты.

Горячая модель Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдаемого в настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно установленных факта: наличие  барионной асимметрии Вселенной; космическое отношение числа  фотонов к числу  барионов, примерно равное 109 ;  однородность и  изотропность  реликтового излучения.  Теория Большого Взрыва в наши дни считается общепринятой. Согласно этой теории, наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи. Излучение и вещество в нем находились в  тепловом равновесии. В этой ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с веществом, а число частиц было равно числу античастиц.

Для объяснения барионной асимметрии Вселенной предполагается, что распад  лептокварков происходит с превышением числа рождающихся  кварков над  антикварками. Исходя из наблюдаемой сейчас  барионной асимметрии, число кварков должно относиться к числу антикварков как 1000 000001 : 1000000000. Физическим обоснованием такого предположения является существование в микромире процессов, идущих с нарушением зарядовой симметрии (распад К0-мезонов). При этом важным является то, что барионная асимметрия не зависит от начальных условий. Родившиеся в результате распада лептокварков антикварки и кварки  аннигилируют, небольшой же избыток кварков выживает и является материалом, из которого строится вещество Вселенной.  Нейтроны и  протоны - основные строительные элементы нашего вещества - появляются через 10-6  с после  Большого Взрыва. До времени  с подавляющая часть энергии сгустка заключена в излучении, после этого момента в связи с образованием протонов - в веществе. По мере расширения и остывания Вселенной в момент времени t = 3 мин 44 с начинается образование  стабильных ядер  легких элементов - эра космологического  нуклеосинтеза. Длительность этой эры невелика - всего полчаса. Рассчитанная по этой модели концентрация  гелия во Вселенной (около 25% по массе) совпадает с данными  астрофизических наблюдений.

После эры космологического нуклеосинтеза Вселенная тихо остывает. Ее температура снижается настолько, что  электроны начинают соединяться с  ядрами, образуя  атомы. Энергии фотонов не хватает для их разрушения, с этого момента излучение отрывается от вещества. Дальнейшая эволюция излучения происходит в полном соответствии с законами теплового излучения. Теоретическое значение температуры этого реликтового излучения, дожившего до наших дней, в точности соответствует экспериментальным данным. Таким образом, только  водород и гелий образуются собственно в Большом Взрыве.  Тяжелые элементы образуются позднее в недрах звезд и рассеиваются в пространстве благодаря звездным взрывам.

Для дальнейшего развития наиболее важным представляется то, что в первые мгновения образования нашей Вселенной сформировался весь тот набор физических закономерностей и фундаментальных постоянных, которые и обусловили ход последующей эволюции Вселенной.

2. Фундаментальные мировые постоянные

Фундаментальные мировые постоянные - это такие константы, которые дают информацию о наиболее общих, основополагающих свойствах материи [2]. К таковым, например, относятся G, c, e, h, me и др. Общее, что объединяет эти константы, - это содержащаяся в них информация. Так, гравитационная постоянная  G является количественной характеристикой универсального, присущего всем объектам Вселенной взаимодействия - тяготения. Скорость света  c есть максимально возможная скорость распространения любых взаимодействий в природе. Элементарный заряд  e - это минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в  свободном состоянии (обладающие дробными электрическими зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют лишь в сверхплотной и горячей  кварк-глюонной плазме). Постоянная Планка  h определяет минимальное изменение физической величины, называемой действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира. Масса покоя  me электрона есть характеристика инерционных свойств стабильной легчайшей заряженной элементарной частицы.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: реферат по философии, реферат модель.





1  2  3 | Следующая страница реферата