Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

геометрий обе стороны искривленной плоскости являются со-

вершенно одинаковыми. Кривизна пространства не проявляется

наглядным образом и понимается как отступление его метрики

от|

евклидовой, что можно точно описать на языке математики.

Теория относительности установила не только

искривление,

пространства под действием полей тяготения, но и замедление

хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение

Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды,

влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя.

Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к

которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала

займет больше времени, чем в том случае, когда на пути этого

сигнала Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохожде-

;

нии вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие экспери-

менты проводились начиная с 1966 г. В качестве отражателя ис-

пользовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так

и оборудование межпланетных станций.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории

относительности —

полная

остановка времени в очень сильном

поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее

тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном

красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше

увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При оп-

ределенных условиях длина волны может устремиться к беско-

нечности, а его частота — к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться,

если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с ра-

диусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км).

Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда ис-

ходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное

смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто

станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Сразу скажем, что с Солнцем этого никогда не произойдет.

В конце своего существования, через несколько миллиардов лет,

оно испытает множество превращений, его центральная область

может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Но другие звезды, массы которых в три и более раз превы-

шают массу Солнца, в конце своей жизни и вправду испытают,

скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием

своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию

черной дыры.

226

Черная дыра —

это

физическое тело, создающее столь силь-

ное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого

вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

Чтобы возникла черная дыра, тело должно сжаться до радиу-

са, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца,

умноженного на 3 км. Это критическое значение радиуса назы-

вают гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры

существуют в природе, хотя до сих пор их не удалось обнаружить.

Трудности астрономических поисков связаны с самой природой

этих необычных объектов. Ведь их просто не видно, так как они

не светят, ничего не излучают в пространство и потому в полном

смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных

признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в

системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звез-

да. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяго-

тения такой пары можно было бы оценить массу невидимой

)везды,

и если эта величина превысит массу Солнца в три и более

раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько хорошо изученных систем двой-

ных звезд, в которых масса невидимого партнера оценивается в

5—8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но ас-

трономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти

объекты кандидатами в черные дыры.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством

которого служит красное смещение, очень значительно вблизи

нейтронных звезд (об этих звездах смотри ниже), а у гравитаци-

онного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с

точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, обра-

зованной массой, равной трем массам Солнца, падение с рас-

стояния 1 млн км до гравитационного радиуса займет всего око-

ло часа. Но по часам, которые будут находиться вдали от черной

дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени

до бесконечности. Чем ближе падающее тело будет подходить к

гравитационному радиусу, тем более замедленным будет пред-

ставляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблю-

даемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к грави-

тационному радиусу и никогда не достигнет его. А на опреде-

ленном расстоянии от этого радиуса тело навсегда застывает —

для внешнего наблюдателя остановилось время, подобно тому,

как на стоп-кадре виден застывший момент падения тела.

" 227

Представления о пространстве и времени, формулирующие- I

ся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день 1

являются наиболее последовательными. Но они являются мак- ]

роскопическими,

так как опираются на опыт исследования мак- |

роскопических объектов, больших расстояний и больших про-

межутков времени. При построении теорий, описывающих яв-

;

ления микромира, эта геометрическая картина, предполагающая

непрерывность пространства и времени

(пространственно-вре-

менной континуум) была перенесена на новую область без ка-

ких-либо изменений. Экспериментальных данных, противореча- I

щих применению теории относительности в микромире, пока

нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует ]

пересмотра представлений о физическом пространстве и временя.

Уже сейчас некоторые ученые говорят о возможности суще-

ствования кванта пространства, фундаментальной длины

Вве-

дя это понятие, наука сможет избежать многих трудностей со- ]

временных квантовых теорий. Если существование этой длины

подтвердится, она станет еще одной фундаментальной постоян-

ной в физике. Из существования кванта пространства также вы-

текает существование кванта времени, равного

Ь/с,

ограничи-

вающего точность определения временных интервалов.

10.3. Свойства пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, то

правильнее было бы говорить о пространственно-временных

свойствах и отношениях материальных систем. Но при позна-

нии пространства и времени ученые часто абстрагируются от их

материального содержания, рассматривая как самостоятельные

формы бытия. В таком случае выделяют:

• всеобщие свойства пространства и времени — к ним отно-

сятся такие пространственно-временные характеристики,

которые проявляются на всех известных структурных

уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атри-

бутами;

• общие свойства пространства и общие свойства времени —

они обычно выделяются в учебных целях;

• специфические {локальные) свойства пространства и време-

ни — они проявляются лишь на некоторых структурных

уровнях, присущи только некоторым классам материаль-

ных систем.

228

Всеобщие

свойства

пространства

и времени

Всеобщими свойствами пространства и вре-

мени являются:

1. Их объективность и независимость от

человеческого сознания и сознания всех дру-

гих разумных существ в мире, если такие есть.

2. Абсолютность — пространство и время являются универ-

сальными формами бытия материи, проявляющимися на всех ее

структурных уровнях.

3. Неразрывная связь друг с другом и движущейся материей.

Это делает пространство и время относительными.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре

—

наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве и време-

ни при отсутствии каких-либо

«разрывов»

в самом пространстве-

времени. Таким образом, это свойство проявляется в характере

перемещений тел от точки к точке, в распространении воздейст-

вий через различные материальные поля, которые происходят по

принципу

близкодействия.

5. Количественная и качественная

бесконечность,

связанная

со структурной бесконечностью самой материи. Во Вселенной

невозможно найти такое место, где бы отсутствовали простран-

ство и время. Всюду, где есть взаимодействие и движение мате-

рии, сосуществование и связь ее элементов, обязательно есть

пространство и время. Всюду, где имеется сохранение материи,

длительность ее бытия и последовательность смены состояний,

будет время, включающее в свое содержание все эти процессы,

и пространство, в котором эти процессы происходят.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после

развития теории относительности пространство и время уже

нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, что их нужно

объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматри-

вать как одну форму бытия материи — пространство-время. Без-

условно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении

материи. Всякое изменение пространственных свойств будет из-

менением во времени, и наоборот. Но все же пространство и

время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие об-

щие и специфические свойства, которые относятся только к про-

странству или только ко времени. Это и дает возможность рас-

сматривать их как разные атрибуты материи.

1. Протяженность — рядоположенность,

существование

и связь различных элементов

(точек, отрезков, объемов и др.), возмож-

ность прибавления к каждому данному элементу некоторого

229

Общие свойства

пространства

^следующего

^лементалибо

уменьшения числа элементов. Про-

тяженность

гесно

связана со структурностью

материальных

объ-

"ёкговТо^условле^^взаймодёйСтеием

'между

составляющйшГт$ла

элементами материи. Непротяженные объекты не обладали

бн|

структурой, внутренними связями и способностями к изменена*

ям, из них не могли бы образовываться никакие системы.

Протяженность пространства проявляется как единство пре-

рывности и непрерывности в его

структуре.

Для

пространства

цс-ю.ч

характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и наруше-

ний в распространении взаимодействий в природе. Но для от-

дельных материальных тел свойственна относительная прерыв-

ность, которая проявляется в раздельном существовании

мате-

риальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и

границы.

2. Трехмерность — все

_материалъные

процессы и явления, из-

вестные нам. реализуются в пространстве трех измерений, облада-

ют длиной, шириной и высотой.

Это

'общее

свойство,

обнаружи-

вающееся на всех известных структурных уровнях материи, оно

органически связано со структурностью систем и их движением.

В одномерном (линия) или двумерном (плоскость) простран-

стве не смогли бы происходить взаимодействия частиц и полей.

Три измерения являются тем необходимым и достаточным ми-

нимумом,

в рамках которою могуч осуществляться все типы

взаимодействий материальных

объектов.

Достаточно давно в науке обсуждается

возможнос1ь_сущес1^,

вования не только

тт)ехмерногоТ"но"'и'многомерного_.щос'гранст-

_ва

;

Физики и математики иногда используют понятие

л-мерного

пространства. В частности, этого требуют теории Великого объ-

единения и Суперобъединения, о которых говорилось выше.

Но_

все же эти измерения —

не

более чем абстракция. Даже сущест-

вование четвертого измерения невозможно представить реально.

Чтобы пояснить это, проведем аналогию. Представим себе

су-

шествование двухмерного мира — страны Плоскатии, которая

для нас выглядит, как детский рисунок. Если мы, трехмерные

существа, попадем в этот мир, его обитатели не смогут увидеть

нас полностью, они заметят лишь срезы тех частей нашего тела,

которые будут проходить через плоскость этого мира. Поэтому,

даже если и существует мир четырех измерений, а его обитатели

посещают наш мир. мы замечаем лишь проекции их тел —

странные объекты, не поддающиеся

описанию

известными нам

физическими законами. Поэтому единственное четвертое

изм'ё™

~р^^[^ос^^ж_т1Л^^=^з^»»Р^*я,

неразрывно связанное с

пространством в едином четырехмерном пространственно-вре-

менном континууме.

Общие свойства

Длительность — выступает как последова-

времени

тельность сменяющих друг друга моментов

или состояний; возникновение за каждым

данным интервалом времени последующего. (Интервалы — это

промежутки между какими-либо учитываемыми событиями.) Вне

таких событий само понятие времени теряет для нас смысл. Ины-

ми словами, средствами измерения времени являются сами собы-

тия. Уже в древности для измерения времени придумали часы —

прибор, который в усовершенствованном виде дошел до наших

дней. Длительность предполагает возможность прибавления к каж-

дому данному моменту времени другого, а также возможность де-

ления любого отрезка времени на меньшие интервалы.

Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибу-

тов. Никакой процесс в природе не может происходить сразу,

мгновенно, он обязательно имеет продолжительность во време-

ни. Причиной этого является конечная скорость распростране-

ния физических взаимодействий и изменения состояний в при-

роде. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например,

с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконеч-

ной плотностью, гравитационным полем и точечными размера-

ми), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает

способностью к сохранению и последовательной смене

состоя-

ний. Это равносильно отрицанию всякого материального бытия.

Длительность бытия объектов во времени выступает как

единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность

времени проявляется в постоянном переходе предшествующих

состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо

явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие

ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материаль-

ного мира имеют начало и конец, определенную длительность,

существует конечный период. Поэтому можно говорить о пре-

рывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и

относительна, так как между всеми сменяющими друг друга ка-

чествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

2. Необратимость времени — общее свойство времени, озна-

чающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему.

Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К

прошлому относятся все те события, которые уже осуществи-

лись и превратились в последующие. Будущие события — это

те, которые возникнут из настоящих и непосредственно пред-

231

шествующих им событий.

Настоящее

охватывает все те объекта

системы и процессы, которые реально существуют в

данньй

момент и способны к взаимодействию между собой.

ВзаимодеЙ

ствие

возможно лишь при одновременном

сосуществовани

объектов. Объекты, существовавшие в прошлом, но

перешедши

в другие последующие состояния материи, уже недоступны ни

какому воздействию. На прошлое физически воздействовать

не

возможно, можно только изменить

представление

о прошлом

сознании реально существующих

людей.

На отдаленное

будуще

тоже нельзя воздействовать, пока оно не возникнет,

досколь*д

реально оно еще не существует. Воздействовать можно на собы-

тия настоящего и на те ближайшие события будущего, которые

из них непосредственно вытекают. Можно сказать, что настоя

щее — это миг между прошлым и будущим.

Понятие настоящего, как и понятие современности, много-

значно, так как охватывает различные временные интервалы.

Так, для человека предельно суженное настоящее — это

сиюсе~.

;

кундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что

было до него, относится к прошлому, все последующее — к бу-

дущему. Но это настоящее может быть и расширено в зависимо-

сти от сопоставляемых интервалов и масштабов события до ча-

са, дня, года и большего отрезка времени.

Для объективно существующих систем настоящее охватывает

тот интервал, в течение которого они физически могут взаимо-

действовать между собой путем обмена материей и энергией.

Если бы скорость распространения

воздействий

была

бесконеч-

ной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно ма-

лый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселен-

ной — настоящих, прошлых, будущих. Это же привело бы к аб-

солютной одновременности всех процессов во Вселенной, под-

твердило бы существование абсолютного времени как универ-

сальной системы отсчета этих процессов.

Но скорость распространения воздействий всегда конечна и

не превышает скорости света в вакууме. Поэтому физически

проявляющееся во взаимодействиях настоящее материальных

систем охватывает тот временной интервал, в течение которого

они способны

лровзаимодействовать:

21/с\

где / — расстоя-

ние между системами. Для элементарных частиц это будут очень

малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни ты-

сяч лет, а в больших системах будут еше более значительными.

Внутри настоящего больших систем могут укладываться со-

бытия прошлого, настоящего и будущего малых систем,

СуШеСТ-

вуюших

намного меньшее время, например жизни конкретных

поколений людей. Мы сейчас воспринимаем свет от далеких

галактик, испущенный миллионы лет назад. То, что для нас

воспринимается как настоящее, для этих галактик является уже

прошлым. Может быть, некоторые из звезд, которыми мы лю-

буемся по ночам, уже не существуют — вспыхнув как сверхно-

вые, они превратились в пульсары или черные дыры.

Но при этом можно быть уверенным, что от событий и сис-

тем будущего никаких воздействий, никакой информации по-

ступить не может, так как эти системы еще не возникли, не об-

ладают

реальным существованием. Действие всегда происходит

только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от

него — к будущему, но не наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости

времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации

материи, законами неравновесной

термодинамики.

Обратное

движение времени означало бы обращение вспять всех процес-

сов развития в мире, перестал бы действовать закон причинно-

сти, так как следствие возникало бы раньше его причины. На-

глядной иллюстрацией обратного хода времени могут служить

события на киноэкране при движении киноленты в обратном

направлении. При этом нарушаются все законы развития, все

причинно-следственные связи.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и бу-

дущего во все большей мере осознаются различными науками.

Раньше считалось, что все физические законы инвариантны от-

носительно замены знака времени, поскольку время в уравне-

ниях квантовой и классической механики берется в квадрате.

Это наводило на мысль, что все физические процессы могут

происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направ-

лении. Но за последние годы были открыты процессы, демонст-

рирующие необратимость изменений в микромире, в частности

распады неустойчивых частиц. Существует гипотеза, что даже

протоны, традиционно относящиеся к группе стабильных час-

тиц, могут распадаться за период времени порядка

лет.

3. Одномерность времени — проявляется в линейной после-

довательности событий, генетически связанных между собой.

Если для определения положения тела в пространстве необхо-

димо задать три координаты, то для определения времени доста-

точно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше

измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру

233

существуют аналогичные и никак не связанные с ним

миры-

двойники, в которых те же самые события разворачиваются в

одинаковой последовательности.

Специфические

К°

нк

етные

пространственные формы

тел",

(локальные)

г П0Л0Ж(

)ше в

пространстве по отношению

свойства

друг

другу, скорость пространственного пере-

пространства

мещения,

размеры тел. Эти свойства

хорошо

фиксируются в макромире. В микромире дей-

ствует принцип неопределенности 1

ейзеноерга',

проявляется свой-

ство

корпускулярно-волнового

дуализма, которые не позволяют

определить ни точное положение

микрообъектов,

ни их скорость.'

мегамире

также происходит качественное изменение

свойств

пространства, описанное теорией относительности

Эйнштейна.

2. Наличие у материальных тел внутренней симметрии или

асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как

мак"

ромиру. так и

микромиру,

являясь

фундаментальным

свойством

неживойприроды. Живому веществу присуще свойство про-

странственной

дисимметрии,

которым обладает молекула живо-

го вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотроп-

ность — это отсутствие выделенных направлений

(верх,

низ и т.д.),

независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направ-

ления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакуу-

му, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в

распределении сил связи. Они расщепляются в одних направле-

ниях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность

свойственна лишь абстрактному евклидову пространству, т.е. яв-

ляется идеализацией. Реальное пространство материальных сис-

тем неоднородно, различается метрикой и значениями кривиз-

ны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

4. В последнее время выделяют биологическое и социальное про-

странство.

Некоторые основания

для~этого~ёстъ.

Так. в

биологичё^

ских системах фиксируется асимметрия расположения атомов в

молекулах белка и нуклеиновых кислот. Впервые это

свойство

бы-

ло

о:

мечено еще

середине

XIX

в. Л. Пастером, в начале XX в.

эно

было изучено В.И. Вернадским.

С появлением человека как общественного существа возник

новый тип пространства — социальное пространство,

являющее

:я частью пространства биосферы и космоса. Специфика

соци-

1ты-юго

пространства связана с тем, что мир, окружающий чело-

1ека,

—

это не только материальные предметы и явления, при-

234

родные или созданные, но и то, как они влияют на жизнь чело-

века, его социальные связи, его идеалы и ценности.

Важнейшим элементом, формообразующим началом соци-

ального пространства является архитектура. Дом, город вопло-

щают в себе стремление человека к защите от превратностей

окружающего мира. В них

человек,

воплощает

свой

обра:!

мира,

а понятие родины в

первукГочередь

ассоциируется с

родным™

ломом и тем местом, где он расположен.

Несколько меньшее значение имеет одежда, предметы быта,

машины и механизмы, с помощью которых мы не только обес-

печиваем

свое физическое выживание в мире, но и преобразуем

окружающий нас мир, очеловечиваем его, превращаем природу

культуру. Человеку свойственно стремление к экспансии, к

освоению новых территорий и необжитых пространств. Если

раньше это свойство проявлялось в открытии и освоении новых

1емель

на нашей планете, то в XX в. человек вышел в космос и

начал осваивать

его.

Частью нашего

социального

пространства

является,.личност-

ью

пространство,

связанное с восприятием отдельным человеком

:соя

и своего

окружения.

Важнейшим элементом личностного

пространства являются другие люди, окружающие нас, общаю-

щиеся

с нами. Для социального пространства свойственны спе-

цифические пространственные отношения между его элементами,

собственные ритмы и темпы

изменений

различных

сферах,

об-

щественной

жизни.

Очень интересно восприятие времени человеком. Ведь имен-

но через время мы воспринимаем все изменения, происходящие

в окружающем нас мире. Интересно, что в индивидуальном вос-

приятии человека оно может растягиваться и сжиматься. Так, в

детстве время тянется очень долго, но чем старше мы становим-

ся, тем быстрее летит время.

Человеку также присуще чувство времени. В зависимости от

тренированности люди могут более или менее точно определять

без часов время суток и длительность каких-то событий. Иными

словами, у людей есть что-то вроде внутренних часов, которые

основываются на биологических ритмах нашего организма, как-

то: биение сердца, частота дыхания, ритмы мозга.

Особенности функционирования общества в целом также на-

ходят свое выражение в специфическом социальном времени, ко-

торое характеризует длительность,

последовательность

этапов ма-

териальной и духовной деятельности человека. Главным факто-

235

ром, определяющим ход социального времени является

преобра-

зуюПтд$Гтворческан

деятельность человека, с помощью которой

он меняет как

себя,

так и окружающую среду. Социальное время |

может существенно отличаться от календарного времени. Так, п

календарю XIX век начался в

1801

г. и закончился в 1900 г. Но с

точки зрения истории культуры, по меркам социального времени,

он начался в

1789

г. (с Великой французской революции) и

за-1

кончился в 1914 г. (с началом первой мировой войны).

Изучение времени продолжается и сегодня. Есть целый ряд ]

интересных гипотез о природе времени. Так, профессор Н.А. Ко-

зырев

предположил, что время

—

это физический фактор, обла-

дающий свойствами, позволяющими ему активно участвовать во

всех природных процессах, обеспечивая причинно-следственную

связь явлений. Тем не менее, вопрос о природе времени до сих

пор остается одним из самых сложных и загадочных для челове-

ка. До сих пор верны слова Августина Блаженного:

«Я

прекрас-

но знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит за-

думаться

—

и вот я уже не знаю, что есть время».

Современные

концепции космологии

^^?

Вопросы для обсуждения

].В чем заключается отличие абсолютной, относительной, субстанцио-

нальной и реляционной концепции пространства и времени?

2. С какой концепцией пространства

времени был связан принцип даль-

нодействия?

З.С какой концепцией пространства и времени был связан принцип

близ-

кодействия?

4. Чем отличается классический принцип относительности Галилея от

обобщенного принципа относительности Эйнштейна?

5. Чем отличается скорость света от других скоростей?

6. Что такое релятивистские эффекты?

7. Что такое парадокс близнецов?

8. Что такое неевклидовы геометрии? Какие они бывают?

9. От чего зависит кривизна пространства-времени?

10. Что такое черные дыры?

11.

Каковы причины необратимости времени?

Глава 1 1

Космологические

модели Вселенной

11.1. Что такое космология и космогония?

Космология — это астрофизическая теория структуры и

динамики изменения

Метагалактики,

включающая в

себя

также

определенное понимание свойств

Вселенной-

Космология осно-

вывается на астрономических наблюдениях Галактики и дру-

гих звездных систем, общей теории относительности, физике

микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивист-

ской термодинамике и других новейших физических теориях.

Данное определение космологии предполагает в качестве

предмета этой науки только Метагалактику' (доступную нашему

наблюдению часть Вселенной), а не Вселенную в целом. Это

связано с тем, что все данные, которыми располагает современ-

ная наука, относятся только к конечной системе — Метагалак-

тике, и ученые не уверены, что при простой экстраполяции

свойств этой Метагалактики на всю Вселенную будут получены

истинные результаты. При этом, безусловно, суждения о свой-

ствах всей Вселенной являются необходимой составной частью

космологии. Космология сегодня является фундаментальной нау-

кой. И она больше, чем какая-либо другая фундаментальная

наука связана с различными философскими концепциями, по-

разному понимающими устройство мира.

Первые космологические идеи сохранились до наших дней в

виде мифов. Эти идеи основывались на астрономических на-

блюдениях, которые начались с

глубокой

древности. Из истории

известно о больших успехах жрецов Вавилона, Египта, Индии и

Китая в наблюдении за небом. Им удалось точно вычислить про-

должительность года, повторяемость солнечных и лунных за-

тмений, выявить две группы небесных тел — подвижные и

неподвижные. Множество звезд тогда считались неподвижными

объектами. К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и

пять известных планет, названных именами богов, — Меркурий,

238

Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В их честь неделя была разде-

лена на семь дней, каждый из которых в существующей и сего-

дня астрологической традиции связан с одним из подвижных

тел. В результате наблюдений за движением Солнца по небес-

ной сфере были открыты двенадцать так называемых

зодиакаль-

ных созвездий.

После того как появилась философия, пришедшая вместе с

наукой на смену мифологии, ответ на

«вечные*

вопросы об уст-

ройстве Вселенной и Космоса стали искать в основном в рамках

философских концепций. В античности появилось несколько

интересных космологических моделей Вселенной — у Пифаго-

ра, Демокрита, Платона. Тогда же появились первые гелиоцен-

трические модели Вселенной. Так, Гераклит Понтийский при-

знавал суточное вращение Земли и ее движение вокруг покоя-

щегося Солнца. Аристарх СамосскиЙ выдвигал идею о том, что

Земля вращается по окружности, центром которой служит Солнце.

Но гелиоцентрические идеи были отвергнуты большинством ан-

тичных мыслителей, и общепризнанным итогом античной космо-

логии стала геоцентрическая концепция, сформулированная Ари-

стотелем и усовершенствованная Птолемеем. Эта модель просу-

ществовала в течение всего Средневековья.

В Новое время философия уступила свое первенство в

соз-

дании космологических моделей науке, которая добилась особенно

больших успехов в XX веке, перейдя от различных догадок в этой

области к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям.

В Новое время рождается и космогония — наука о проис-

хождении и развитии космических тел и их систем. Таким об-

разом, космогония изучает звезды и звездные системы, галак-

тики, туманности, Солнечную систему и все входящие в нее

тела — планеты, спутники, астероиды, кометы и метеориты.

Первоначально космогонические гипотезы касались лишь Сол-

нечной системы. Лишь в XX веке появилась возможность начать

серьезное изучение происхождения и развития звезд и галактик.

11.2. Становление классической

космологии

космогонии

Основателем классической космологии считается Николай

Коперник, четко сформулировавший в своей книге «О враще-

нии небесных сфер» гелиоцентрическую модель Вселенной. В

этой модели он поместил Солнце в центр Вселенной и низвел

Землю до положения рядовой планеты Солнечной системы. Ему

239

впервые удалось установить не только последовательность, но и

численные значения расстояний всех пяти известных планет

оп

Солнца, принимая за единицу расстояние от Солнца до Земли. ,

Конечно, он был весьма далек от правильного понимания уст-

ройства мира. Так, по его убеждению, за орбитами пяти

известных.»

в то время планет располагалась сфера неподвижных звезд. Звезды

на этой сфере считались равноудаленными от Солнца, природа их

была неясной. Коперник не видел в них тел, подобных Солнцу.

Будучи служителем церкви, он склонялся к мнению, что за сферой

неподвижных звезд находится «эмпирей», или

«жилище

блажен-,

пых»

— обитель сверхъестественных тел и существ.

В одном Коперник был твердо уверен — радиус сферы непод-.

вижных

звезд должен быть очень велик. Иначе было бы трудно

обменить,

почему с движущейся вокруг Солнца Земли звезды,

кажутся неподвижными.

Поставьте перед лицом указательный палеи и посмотрите на

него попеременно то левым, то правым глазом — палец будет ,

смещаться на фоне более далеких предметов, например стены.

Такое

кажущееся

смещение предмета при изменении позиции

наблюдателя называется параллактическим смещением. Расстояние

между крайними точками наблюдения называется базисом. Чем

больше базис, тем больше и параллактическое смешение. Чем

дальше от нас наблюдаемый предмет, тем меньше параллактиче-

ское смешение. Отодвиньте палец от лица, и вы легко в этом

убедитесь.

Хотя расстояние от Земли до Солнца во времена Коперника в

точности не было известно, но многие

косвенные

факты давали

ученым основания предполагать, что оно очень велико. Казалось

бы, при этом звезды должны описывать на небе маленькие ок-

ружности — своеобразное отражение действительного обращения

Земли вокруг Солнца. Но такие параллактические смещения

звезд явно отсутствовали, из чего Коперник и сделал вывод о ко-

лоссальных размерах сферы неподвижных звезд.

Вселенная, по Копернику, — это мир в скорлупе, представ-

ляющий собой гигантскую сферу. В этом ученый был солидарен

с Аристотелем, также говорившем о конечности и сферичности

мира. Заметно в модели Коперника и влияние средневекового

мировоззрения. Но прошло всего несколько десятилетий, и

Джордано Бруно разбил

коперниканскую

«скорлупу» неподвиж-

ных^звезд.

Бруно считал звезды далекими солнцами, согревающими свои

планетные системы. Также ученый считал глупцом того, кто мог

думать,

что эти могучие мировые системы, находящиеся в бес-

предельном пространстве, лишены живых существ. Так прозвуча-

ла беспредельно смелая по тем временам мысль о пространствен-

ной бесконечности Вселенной. Бруно считал, что Вселенная бес-

конечна, что существует бесконечное множество миров, подоб-

ных миру Земли. Таким образом, именно Бруно первым в Новое

время предложил

полипентрическую

модель Вселенной.

Прошло всего десятилетие, и Галилео Галилей в изобретен-

ный им телескоп увидел в небе то, что до сих пор оставалось

скрытым для невооруженного глаза. Горы на Луне наглядно дока-

)ывали, что она — мир, похожий на Землю. Спутники Юпитера,

кружащие вокруг него, походили на наглядное подобие Солнеч-

ном системы. Смена фаз Венеры не оставляла сомнений в том,

что эта освещенная

Со;гнцем

планета действительно обращается

вокруг него. Наконец, множество невидимых глазом звезд, со-

ставляющих Млечный путь, подтверждало учение Бруно о бес-

численных солнцах и землях. Вместо идеальных эфирных тел Га-

лилей увидел небесные тела, похожие на Землю, и это сходство

эемного

и небесного заставляло постепенно отказаться от оши-

иочного

представления о Солнце как о центре всего мироздания.

Современник и друг Галилея Иоганн Кеплер уточнил законы

движения планет, а великий Исаак Ньютон доказал, что все те-

ла во Вселенной, независимо от

размеров,

химического состава,

строения и других свойств, взаимно тяготеют друг к

другу.

Кос- _

мология

Ньютона вместе с успехами астрономии

ХУТН—XIX

вв.

определила то мировоззрение, которое называют классическим.

Полицентрическая картина мира стала итогом начального этапа

развития научной космологии.

Эта классическая полицентрическая модель достаточно про-

ста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве

и во времени, иными словами, вечной. Основным законом,

управляющим движением и развитием небесных тел, является

закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с

находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища

для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь уни-

версальной длительностью всех природных явлений и тел. Ис-

чезни вдруг все эти тела-, пространство и время сохранились бы

неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во

Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит

длительный жизненный путь. И на смену погибшим, точнее, по-

гасшим звездам вспыхивают новые, молодые светила. Хотя дета-

ли возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в

241

основном эта модель казалась стройной и логически

непротивЙ

речивой. В таком виде она просуществовала в науке вплоть

д5

начала XX века.

Бесконечности Вселенной в пространстве гармонично

соот

ветствовала ее вечность во времени. Ныне, миллиард лет

наза^

миллиарды лет в будущем она останется в сущности одной '

той же. Неизменность Космоса как бы подчеркивала

бренност]

непостоянство всего земного.

Но в модели Вселенной Ньютона было несколько

недостат-

ков. Закон всемирного тяготения объяснял

центростремителынз

ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление пла-

нет, а также любых материальных тел двигаться равномерно

прямолинейно. Для объяснения инерциального движения Ныо

тону пришлось допустить существование божественного «перво

толчка», приведшего в движение все материальные тела.

Кромк

того, для коррекции орбит космических тел он также допускал

вмешательство Бога. Таким образом, Ньютон отдал космологию

космогонию на откуп теологии, отказавшись от научного

объяс.

нения происхождения Вселенной.

11.3.

Классическая астрономия

и космогония

Астрономия и космогония в Новое время развивались очень

динамично. Больших успехов добилась астрономия, которая

XVIII

в. перешла от изучения Солнечной системы к наблюдению

за звездами и туманностями — новыми типами космических объ-

ектов, открытыми выдающимся астрономом Б.

Гершелем.

Позд-

нее, только в XX в. выяснилось, что эти туманности — не что

иное, как далекие галактики, подобные нашей. А тогда

Гершель

открыл свыше 2,5 тыс. новых туманностей, выявил закономер-

ности в их структуре и тенденцию их объединения в скопления.

Также он впервые попытался измерить размеры нашей Галакти-

ки и оценить размеры и расстояния до других туманностей.

Кроме того, он установил существование двойных и кратных

звезд, уточнил оценки блеска у 3 тысяч звезд, выяснил, что не-

которые из них — переменные звезды.

В конце XVIII в. родилась научная космогония, не нуждав-

шаяся более в идее Бога для объяснения развития Вселенной.

Первая космогоническая теория была создана великим немецким

философом и ученым Иммануилом

Кантом,

Для того чтобы объ-

яснить движение планет по их орбитам вокруг Солнца, Кант не

242

стал

прибегать к идее «первотолчка», а рассмотрел Солнечную

систему в ее историческом развитии, Богу он оставил только соз-

дание материи в виде первоначального хаоса с присущими ей за-

кономерностями.

Далее,

как считал Кант, мир обошелся своими

силами, создав из разреженной материи, равномерно распреде-

ленной в пространстве, современную Вселенную.

Для этого были использованы силы притяжения (тяготения),

отталкивания (по

аналогии

с газами) и химического соединения

(различие частиц по плотности). В результате действия этих трех

сил появились начальные неоднородности в распределении мате-

рии. Более плотные сгущения стали центрами притяжения более

легких

элементов.

Но поскольку действовали и силы отталкива-

ния, материя не собралась в одном месте, а образовала несколько

сгущений.

Крупные сгущения нагревались от столкновения с частица-

ми и постепенно превратились в Солнце и звезды. Не упавшие

на Солнце частицы вращались вокруг него, образуя пояс, коль-

цо частиц. Затем в этом кольце в силу его неоднородности воз-

никли новые центры тяготения. Концентрировавшееся в них

вещество образовало планеты. Затем по тому же принципу обра-

зовались и спутники планет.

Модель Канта описывала образование не только одной Сол-

нечной системы, но и Вселенной в целом. Он считал, что в ней

постоянно возникают новые космические системы на все более

далеких расстояниях от предполагаемого центра

Вселенной,

ко-

торый он находил в районе Сириуса.

Разумеется, модель развития Вселенной Канта имела серьез-

ные недостатки. Часть из них попытался исключить П. Лаплас,

который подвел строгое математическое обоснование под кос-

могоническую модель Канта. Но некоторые противоречия ока-

зались

неустранимыми. Например, не удалось объяснить рас-

пределение количества движения в Солнечной системе, которое

в основном приходится на планеты, а не на Солнце, хотя масса

Солнца во много раз больше массы всех планет в системе.

Тем не менее, космогоническая гипотеза Канта — Лапласа

разрушила основы метафизического мировоззрения и классиче-

ской науки, впервые убедительно показав, что природные сис-

темы развиваются и меняются со временем,

что.понять

настоя-

щее можно, лишь изучив историю этих систем. Таким образом,

наука подошла к осознанию того, что нынешнее состояние Все-

ленной есть результат ее эволюции.

XIX

век

принес новые открытия как в астрономии, так и в

космологии. В 1846 г. была открыта восьмая планета Солнечной

243

системы — Нептун. Открытие принадлежало двум математикам

астрономам Д.

Лдамсу

и У. Леверье, которые произвели

математиЭ

ческие расчеты, показавшие, что отклонения Урана от

вычислен-]

ной орбиты происходят под действием массивного тела —

еще

одной планеты. Эти вычисления были переданы астроному

Г. Гаме, который и обнаружил в рассчитанном месте новую

пли

нету. Таким образом, границы Солнечной системы

отодвинулисм

до 4,5 млрд км.

Во второй половине XIX в. возникла новая наука —

астрофи-Л

зика.

Она должна была решить важнейшую астрономическую!

проблему — открыть строение звезд, определить основные

этапья

их эволюции, а также найти источник энергии, позволяющий

звездам светить. Новая наука стала одним из первых примером

интеграции научного знания, возникнув на стыке

астрономии]]

статистической механики и оптики. Она использовала новые от-

крытия и технические изобретения, в частности спектральный]

анализ и фотографию. С их помощью удалось узнать

химический.'

состав солнечной атмосферы и звезд.

В результате астрофизических исследований в науке

утвер-

дилось представление о звездах, как об огромных газовых

ша-.

рах, очень плотных и горячих в середине и разреженных на

по-^

верхности. Тогда же ученые попытались объяснить, почему звезды,

светят. Так, Р. Майер в 1848 г. предложил гипотезу о разогреве!

Солнца за счет падения на него метеоритов. Позже Кельвин

Гельмгольц выдвинули идею о гравитационном сжатии звезд как]

причине их горения. Но ни та, ни другая гипотезы не выдержи-]

вали критики. По этим гипотезам получалось, что время

жизни

звезды не может превышать нескольких десятков миллионов

лет^

в то время как возраст Земли к этому времени уже оценивался в

несколько миллиардов лет. Таким образом, вопрос о

причине'

свечения звезд оставался открытым.

11.4.

Космологические парадоксы

концу XIX в. появились серьезные сомнения и в класси-

ческой космологической модели. В 1744 г. швейцарский астро-

ном Р. Шезо высказал сомнения в пространственной бесконеч-

ности Вселенной. В то время о существовании звездных систем

еще не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались толь-

ко звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Все-

ленной существует бесконечное множество звезд и они распреде-

лены

в пространстве равномерно, то тогда по любому направле-

нию

взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на

какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что

-небосвод,

сплошь

усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что

лаже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном.

Независи-

мо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный не-

мецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение

получило в астрономии наименование фотометрического пара-

докса Шезо — Ольберса. Таков был первый космологический па-

радокс, поставивший под сомнение пространственную бесконеч-

ность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались по-разному. Мож-

но было допустить, например, что звезды распределены в про-

сгранстве

неравномерно. Но тогда в

некоторых,

направлениях на

звездном небе было бы видно мало звезд, а в других мы бы виде-

ли бесконечно яркие пятна, в которые сливался бы свет беско-

нечного

количества звезд. Но этого, как известно, нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а за-

полнено разреженными

тазово-пылевыми

облаками, некоторые

ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд,

избавляют нас от фотометрического парадокса. Однако в 1938 г.

академик В.Г.

Фесенков

доказал, что, поглотив свет звезд, газо-

во-пылевые

туманности вновь переизлучают поглощенную ими

анергию.

Таким образом, парадокс остался. Его невозможно

решить до тех пор, пока мы не откажемся от идеи

бесконечйо-

сти Вселенной.

В конце

XIX

в. немецкий астроном

А".

Зеелигер

обратил вни-

мание на другой парадокс, неизбежно вытекавший из представ-

лений о бесконечности Вселенной. Он получил название грави-

тационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной

Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила

тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказы-

вается бесконечно большой или неопределенной. Результат за-

висит от способа вычисления. Так как ничего похожего в кос-

мосе не наблюдается, то Зеелигер сделал вывод, что количество

небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались

неразрешенны-

ми до 20-х годов XX в., когда на смену классической космоло-

гии пришла модель конечной и расширяющейся Вселенной.

Третий, термодинамический парадокс также был сформулиро-

ван в XIX веке. Мы уже говорили о началах термодинамики и

некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчи-

няется важнейшему закону природы — закону сохранения энер-

245