В связи с расширением Вселенной возникает вопрос: по какой модели она расширяется, каково будущее Вселенной? Полного ответа пока нет – необходимо сосчитать всю массу во Вселенной, чтобы численно определить тормозящие силы тяготения. Но большинство исследователей склоняются к мысли о том, что Вселенная будет расширяться вечно.Легче говорить о прошлом. Если мы знаем текущий объём Вселенной и закономерность её расширения, легко просчитать этот процесс назад. Тогда получится, что переместившись на 13 млрд. лет в прошлоё, обнаружим Вселенную, сжавшуюся в точку.Итак, 13 млрд. лет назад произошёл Большой Взрыв и Вселенная началась.Представить себе наблюдателя, находящегося вне Вселенной и рассматривающего её возникновение – невозможно. До Большого Взрыва не было ни пространства, ни времени, следовательно, не могло быть времени и до Взрыва.Отчего ничего взорвалось? По-правде говоря, и на этот вопрос нет удовлетворительного ответа. Физики говорят о некоей сингулярной точке, в которой находилась Вселенная в начальный момент её истории, и процессы её зарождения называют сингулярными процессами. Такое красивое слово, как сингулярность (лат. singularis - отдельный, одиночный, единственный в своем роде, исключительный) завораживает дилетантов, но говорить пока можно о доказательствах факта самого Большого Взрыва и о непроверяемых гипотезах о его причинах. Ясно одно – в начале времён Вселенная была настолько малой, что полностью управлялась квантовыми законами.
Концепция большого взрыва
Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце. В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А. Д. Линде.В 1948 г. Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность — бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.
Атомизм в химии XIX в.
Атомная теория впервые возникает в Древней Греции. Её прародителями являются Левкипп и Демокрит. До нас не дошло ни строчки их трудов, известны только комментарии их учения. По этим комментариям мы знаем основной тезис первых атомистов – «нет ничего, кроме атомов и пустого пространства». «Атом» в целом – «недробимый», нечто, неподверженное дальнейшему делению.Древнегреческий атомизм на протяжении двух тысячелетий существовал без существенных изменений. Это учение не являлось каноническим, церковью не поддерживалось и не отрицалось. Новое качество и новую аргументацию атомистическое учение приобретает в XIX в.Атомизм развивали химики, а у физиков отношение к атомам было скептическим. Особенно энергично отрицали атомную структуру вещества эмпириокритики во главе с Э. Махом. Нельзя сказать, что физики были едины – в XIX в. развивалась молекулярная теория газов и создавали её такие замечательные теоретики, как Максвелл, Гиббс, Больцман.Химия как наука возникает во второй половине XVIII в. в первую очередь благодаря трудам А. Лавуазье. Основной теоретический базис, который отделил химию от алхимии – признание неизменяемости, «непревращаемости» химических элементов. Лавуазье обосновал существование 33 элементов (в их числе свет и теплород), которые, вступая в соединение друг с другом, образуют всё разнообразие природных веществ. Дальнейшее развитие химии в этом направлении шло по пути уточнения списка элементов, но без изменения концептуальной базы.В 1799 г. Пруст постулирует «Закон постоянства состава веществ» или «закон Пруста». Если в борщ положить немножко больше или немножко меньше свёклы, он останется борщом. По аналогии с этим можно ожидать, что если при образовании воды ввести больше или меньше водорода, получится вода (может быть, чуть гуще или жиже). Новорожденная химия того времени дебатировала подобные вопросы.
Но «закон Пруста» утверждает, что вода всегда одинакова и избыток водорода просто не превратится в воду.Следующим шагом, приведшим к атомному учению, был «закон кратных отношений» Дальтона (это уже самое начало XIX в.). В углекислом газе на весовую единицу углерода ровно в 2 раза больше кислорода, чем в угарном газе. Сейчас мы запишем их формулы как СО2 и СО, что означает, что с одним атомом углерода связаны, соответственно, два и один атома кислорода. Дальтон так и объяснил, почему в ряду окислов весовые соотношения меняются как целые числа – сложные вещества состоят из целого числа атомов каждого элемента. Углерод присоединяет один, два, но не «пи пополам» атомов кислорода.Итак, атомная теория из умозрительных рассуждений превращается в нечто, подтверждающееся химическими наблюдениями, и кладётся в основу теоретического аппарата химии: Дальтон публикует капитальный труд «Атомная химия». Далее Авогадро оперирует понятием «молекула». Поскольку при реакциях в газовой фазе относительные объемы исходных веществ и продуктов реакции относятся как целые числа, следует считать, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (не атомов!). Если два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяных паров (разумеется при той же температуре и том же давлении), то это неслучайно – при таком соотношении объёмов каждая молекула кислорода и две молекулы водорода дают две молекулы воды.
К середине XIX в. расширился как круг элементов, так и объём знаний об их свойствах. К этому времени Франкланд ввёл в химию понятие «сродство», которое количественно выражалось в числе атомов водорода, которое может присоединить или заместить данный элемент. У кислорода, например, две единицы сродства, азота – три, углерода – четыре. Это то же самое, что нынешнее понятие «валентность».Купер разработал метод составления структурных формул. Пользуясь структурными формулами, Кекуле и Бутлеров положили начало современной органической химии.Для физика XIX в. атом является ненаблюдаемой сущностью. Он требует физические характеристики атома: вес, размеры, координаты в пространстве и т.д.
Открытие радиоактивности
В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб – это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике.Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.