Структурные уровни организации живой материи

     Все существующие галактики входят в  систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик.

     Современные космологические модели Вселенной  основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

     В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл  обнаружил существование странной зависимости между расстоянием  и скоростью галактик: все галактики  движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально  расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается  научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла  10⁹⁶ г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

     Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной  в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная  в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов  и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры” :

     -  Эра адронов. Тяжелые частицы,  вступающие в сильные взаимодействия; 

     - Эра лептонов. Легкие частицы,  вступающие в электромагнитное  взаимодействие;

     -  Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны;

     - Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

     Затем разворачивается грандиозная картина  образования структуры Метагалактики.

     В современной космологии наряду с  гипотезой Большого взрыва весьма популярна  инфляционная модель Вселенной, в которой  рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное  обоснование и связана с квантовой  космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10^-45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

     Начало  Вселенной определяется физиками-теоретиками  как состояние квантовой супергравитации  с радиусом Вселенной в 10^-50 см

     Стадия  инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние  возбужденного вакуума и в  отсутствие в ней вещества и излучения  интенсивно расширялась по экспоненциальному  закону. В этот период создавалось  само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34. Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10^-33 до невообразимо больших 10^1000000см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной — 10²⁸ см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

     Переход от инфляционной стадии к  фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла  на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

     Этап  отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало  прозрачным для излучения, контакт  между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

     В дальнейшем развитие Вселенной шло  в направлении от максимально  простого однородного состояния  к созданию все более сложных  структур — атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения — человека.

     Различие  между этапами эволюции Вселенной  в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального  этапа порядка 10^-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

     Вселенной на самых разных уровнях, от условно  элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной  является результатом космической  эволюции, в ходе которой из протогалактик  образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

     Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение  в пространстве, заполненном чрезвычайно  разреженным межгалактическим газом  и пронизываемом межгалактическими  лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст  Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование  структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается  в 15 млрд. лет.

     Галактика – гигантская система, состоящая  из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

     По  форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

     Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной  вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч — самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. 

     Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту  группу входят: Солнце, девять больших  планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц.   Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

     Первые  теории происхождения Солнечной  системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским  математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между  частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

     Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи  и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

     Достаточно  очевидно,  что очень важна  роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой  для построения научной картины  мира,  решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений  микро, макро и мега миров.

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной

Большо́й  взрыв (от англ. Big Bang) — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее.

По современным  представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад^[1] из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 10³² K (Планковская температура) и плотностью около 10⁹³ г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно  через 10⁻³⁵ секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10⁻⁴³ секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее падение  температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).