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

Подождите немного. Документ загружается.

гии. Энергия не возникает из ничего и при превращении из

од-о

ного вида в другой не исчезает. Общее количество энергии

оста-.|

ется постоянным. Это первое начало термодинамики.

Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный

кру-Д

говорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе

всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из

ниче-.!

го, а лишь переходит из одной формы существования в другую,

т|

Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в

вечной

]

круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются 1

в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это

проис-1

ходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та|

же, было в то время почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термоди- |

•намики, открытого в середине

XIX

в. Кельвином и

Клаузиусом.

При ]

всех превращениях различные виды энергии в конечном счете 1

переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится I

к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается

в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла необратим,

то]

рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в ]

природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерз- \

шее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоис- ;

пытателей

прошлого вторым началом термодинамики, известным

также как принцип возрастания энтропии, было особенно

силь-

ным еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас природе

они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, каза-

лось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.

Конечно, есть в природе и антиэнтропийные процессы, при

которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы

процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой

деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации

всегда оказывается, что уменьшение беспорядка (энтропии) в од-

ном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом.

Более того, возникший по вине человека беспорядок значитель-

но превышает тот порядок, который он внес в природу, так что

в конечном счете энтропия и тут продолжает расти.

Встать на позицию Клаузиуса — значит признать, что Все-

ленная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец.

Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно,

то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как

этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его совре-

менников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в

246

будущем,

если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет

^штовая

смерть. Таким образом, концепция тепловой смерти Все-

янной,

термодинамический парадокс заставили усомниться в веч-

ности

Вселенной во времени.

Опровергнуть второе начало термодинамики стало задачей для

<;ех

материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. немец-

кий физик Л.

Больцман

предложил вероятностную трактовку вто-

рого начала термодинамики. По его гипотезе, возрастание энтро-

пии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более

вероятно,

чем состояние порядка. Но это не означает, что про-

цессы противоположного характера, самопроизвольно идущие с

уменьшением

энтропии, абсолютно невозможны. Они в принци-

пе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы можем наблюдать, как тепло от более горячего тела

переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и

другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не ис-

ключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей

комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибните от уду-

шья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за

пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспи-

ра. Все эти события возможны, хотя вероятность их осуществле-

ния близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность суще-

ствования того уголка Вселенной, в котором живут люди.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в

простран-

стве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в со-

стоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах

возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от

обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит

Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная —

безжизненный

мертвый океан с некоторым количеством остров-

ков

жизни.

Гипотеза

Больцмана,

хотя и подвергла сомнению всеобщность

и строгую обязательность второго начала термодинамики, не

смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому

же расчеты показали, что вероятность возникновения такой ги-

гантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.

11.5.

Становление современной космологии.

Модель Вселенной А. Эйнштейна

Таким образом, три космологических парадокса заставили уче-

ных усомниться в истинности классической космологической

модели Вселенной. Фотометрический и гравитационный пара-

доксы

зародили сомнения в пространственной

бесконечности

Вселенной, термодинамический парадокс — в вечности Вселен,

ной во времени. Именно они заставили А.

Эйнштейна

1917

предложить модель

конечной,

но безграничной Вселенной.

Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды

звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому

про]

странству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду

оди(

накова и к тому же изотропна, т.е. во всех направлениях

имевя|

одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность

ве*

щества во Вселенной выше так называемой критической

плотней

ети,

равной

10~

г/см

. Если все эти требования соблюдены,

мвд

ровое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и пред-

ставляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не

при^

вьгчная

школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана, о ко.

торой мы говорили выше.

Не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде

обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера

четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению.

аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства ко-

нечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно

выразит!

конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой

четырехмерной сферы также выражается в конечном числе кубо-

метров. Такое сферическое пространство не имеет границ и в этом

смысле оно — безгранично. Летя в таком пространстве по одном)

направлению, мы в конце концов вернемся в исходную точку.

Не

в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не най-

дет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избран-

ном направлении. В этом смысле поверхность любого шара без-

гранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность —

разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир являет-

ся четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может

быт*

выражен, хотя и очень большим, но все же конечным числом ку-

бометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселен-

ную, двигаясь все время в одном направлении — такое вообра-

жаемое путешествие, подобное земным кругосветным путешест-

виям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгра-

нична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная

Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число

звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотомет-

рический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак

тепловой

смерти тяготеет и над

Вселенной

Эйнштейна. Такая

248

Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему

концу во времени. Вечность ей не присуща.

11.6.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой релятивистской

космологической моделью, базирующейся на выводах обшей

теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготе-

ние определяет взаимодействие масс на больших расстояниях.

Поэтому

теоретическим ядром современной космологии высту-

пает теория тяготения — общая теория относительности.

Пять лет спустя, в 1922 г. советский физик и математик Алек-

сандр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Все-

ленная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизмен-

ной. Фридман сделал это, опираясь на сформулированный им кос-

мологический принцип. Он строится на двух предположениях: об

изотропности

и однородности Вселенной. Изотропность Вселен-

ной понимается как отсутствие выделенных направлений, одина-

ковость Вселенной по всем

напраштениям.

Однородность Вселен-

ной понимается как одинаковость

всех

точек Вселенной, проводя

наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

Сегодня с этим принципом согласно большинство ученых.

Результаты современных наблюдений показывают, что структур-

ные элементы далеких звезд и галактик, физические законы,

ко-

юрым

они подчиняются, физические константы одинаковы во

нсей

наблюдаемой

части.Вселенной,

включая Землю. Кроме того,

известно, что вещество во Вселенной собрано в «сгустки* — звез-

ды, звездные системы и галактики. Но распределение вещества в

оолее

крупных масштабах однородно.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что

уравнения

Эйнштейна имеют и другие, нестационарные реше-

ния, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо

сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространст-

ва,

т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридма-

на напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и

РЗДиус,

и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной

были получены в 1929 г., когда американский астроном Эдвин

Хаббл

открыл при исследовании спектров далеких галактик крас-

ное смещение спектральных линий (смещение линий к красному

концу спектра). Это было истолковано как следствие

эф^зекта

Допплера

— изменение частоты колебаний или длины волн из-за

249

движения источника волн и наблюдателя по отношению друг ^

другу. Красное смещение было объяснено как следствие удалений

галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянии

ем. По последним измерениям, это увеличение скорости расши-

рения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион

парсек;

После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности

Все-;

ленной получил подтверждение и в космологии утвердилась

ма?

дель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие

рао-

ширения

пространства замкнутой конечной Вселенной. При та-

ком расширении пространства все расстояния во Вселенной уве-

личиваются подобно тому, как растут расстояния между пылин-

ками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую

из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным

правом считать центром расширения.

Варианты Какое же будущее ждет нашу Вселенную?

эволюции Расчеты Фридмана допускали три варианта

Вселенной развития событий.

В первой модели Вселенная расширялась

медленно

для

того, чтобы в силу гравитационного притяжения

между различными галактиками расширение Вселенной замед-

лялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная

начинала сжиматься. В данной модели пространство Вселенной

искривлялось, замыкаясь на себя, образуя сферу. Это осцилли-

рующая, закрытая Вселенная. Именно к

такой

модели склонял-

ся Эйнштейн. По расчетам, процесс сжатия Вселенной должен

начаться через 10 млрд лет. За 20 млрд лет до полного гравитаци-

онного коллапса замкнутая Вселенная сожмется до современных

размеров. За 1 млрд лет до Большого хлопка межзвездный водород

превратится в ионизированную плазму, и Вселенная начнет разо-

греваться. За год до конца температура Вселенной станет выше,

чем в недрах звезд, после чего звезды начнут взрываться, а вещест-

во будет втягиваться в сверхмассивные черные дыры. За три мину-

ты до конца черные дыры начнут сливаться. А в конце все вернет-

ся в ту точку, из которой все когда-то начиналось.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, и про-

странство в ней было искривлено наподобие поверхности седла.

В третьей модели Вселенная также расширялась бесконечно,

но пространство ее было плоским. Если развитие Вселенной пой-

дет по одной из этих моделей, то расширение Вселенной будет

идти вечно. Через

лет после Большого взрыва звезды ис-

черпают свое топливо, так как весь водород, служащий основ-

250

ным топливом для звезд, выгорит, превратившись в гелий. Через

лет после начала звезды могут потерять свои планеты из-за

того, что пролетевшая мимо звезда своим гравитационным по-

лем может увлечь их за собой. Более того, при встрече некото-

рые звезды могут покинут свои галактики. В результате такого

испарения галактики способны потерять до 90% своей массы, а

оставшиеся 10% могут сколлапсировать и образовать сверхмас-

сивную черную дыру (примерно через

1К

лет после Большого

взрыва).

Еще позже может начаться предсказанный теорией Ве-

ликого объединения распад протонов. Поэтому, когда возраст

Вселенной составит

— 10

лет, в ней останется только силь-

но разреженный электрон-позитронный газ, нейтрино, фотоны

и сверхмассивные черные дыры. В таком состоянии она будет

находиться до

100

лет, после чего может начаться испарение

черных дыр. Таким образом, Вселенная будет представлять собой

очень разреженный газ, она потеряет всякую структуру и будет

постепенно угасать при температуре лишь чуть большей темпе-

ратуры абсолютного нуля.

По какому из рассмотренных вариантов идет эволюция Все-

ленной, зависит от отношения гравитационной энергии к кине-

тической энергии разлетающегося вещества. Это отношение мож-

но свести к отношению плотности вещества во Вселенной к

критической плотности вешества, которую мы уже упоминали.

Если кинетическая энергия разлета вешества превосходит

гра-

витационную энергию, препятствующую разлету, то силы тяготе-

ния не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной

будет носить необратимый характер, что выражается условием

р/р

< 1, где р —- плотность вещества во Вселенной,

р^

— крити-

ческая плотность вещества. Этот вариант динамической модели

называют «открытой Вселенной».

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, чему

соответствует условие

р/р

то темп расширения со временем

замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие ве-

щества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингу-

лярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью).

Для наблюдателя сигналом перехода от расширения к сжатию

станет смена красного смещения линий химических элементов в

спектрах удаленных галактик на фиолетовое. Такой вариант мо-

дели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны ки-

нетическим силам, т.е. когда

р/р

1, расширение не прекратит-

ся, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через

2.41

несколько десятков миллиардов лет после начала

расширения!

Вселенной наступит состояние, которое можно назвать

квазиста^

ционарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов

реа-

лизуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за

наблюдав-!

тельной астрономией, которая должна оценить

современную!

среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить

значение!

постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока

на-1

дежные оценки этих величин отсутствуют. Дело в том, что не

все!

вещество Вселенной содержится в галактиках, часть его

сущест-1

вует

в виде космических лучей, часть — в виде массы

межгалак-1

тического газа, часть — в виде галактических магнитных

полей.!

Кроме того, есть ненаблюдаемая, скрытая материя, природа

ко-1

торой до настоящего времени не выяснена. Таким образом,

сред-1

няя плотность вещества точно не известна, поэтому нельзя

отве-1

тить, насколько эта величина отличается от критической

плотно-1

сти вещества. На основе современных данных создается

впечат-1

ление,

что средняя плотность вещества во Вселенной близка

к'1

критическому значению, она либо немного больше, либо

немно-Т

го меньше. Но от этого «немного» зависит будущее нашей Все- 1

ленной, правда, весьма отдаленное.

Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются |

друг от друга со все возрастаюшей скоростью, был сделан одно- |

значный

вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но

ширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со ]

своей историей, мир, имеющий начало и конец. Постоянная

Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжает-

ся процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее

10 млрд и не более 19 млрд лет. Наиболее вероятным временем

существования расширяющейся Вселенной считают

млрд лет.

Таков возраст нашей Вселенной.

Некоторые ^

се

что заесь

было

сказано до сих пор, — •

трудности модели

это только

гипотезы, основанные на отдель-

расширяющейся

ных

реальных фактах. Однако те же самые

Вселенной факты можно трактовать и иначе.

Так, уже сам факт красного смещения го-

ворит о том, что спектры далеких звезд будут сдвинуты, а самые

далекие звезды не будут просматриваться в оптическом диапазоне.

Таким образом, фотометрический парадокс, основанный на идеа-

лизации процесса излучения, можно толковать иначе. Да и сам

оптический метод наблюдений неизбежно накладывает ограниче-

ния на область наблюдений, которую может в данный момент ви-

252

деть наблюдатель, — так называемый космологический горизонт. За

ним —" область пространства, от которой свет до нас пока не до-

шел, поэтому она принципиально ненаблюдаема, хотя с каждым

днем доступная земным телескопам область Вселенной возрастает

на

кубических световых лет. Чем ближе объект нашего наблю-

дения находится к космологическому горизонту, тем он древнее,

таким образом, мы видим вещество в далеком прошлом, когда

плотность его была намного больше сегодняшней.

Кроме того, неоднократно предпринимались попытки истол-

ковать само красное смещение не как следствие эффекта Доп-

плера и расширения Вселенной, а как следствие уменьшения

энергии и собственной частоты фотонов при движении их в те-

чение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве, в

результате взаимодействия с гравитационными полями, фоном

нейтрино и ненаблюдаемой пока материей. Хотя подобные по-

пытки до сих пор отвергались на том основании, что они осно-

вывались на допущении некоторого неизвестного еще закона

природы и феномена взаимодействия излучения с другими вида-

ми материи, вопрос о возможности «старения» фотонов остается

открытым.

Даже если признать красное смещение следствием эффекта

Допплера, возникает ряд следствий, которые основываются на

совокупности еще более неясных и неизвестных законов приро-

ды. Так, сегодня есть данные наблюдений квазаров — космиче-

ских объектов сравнительно небольшого размера (не более 1 све-

тового месяца), излучающих вдвое больше энергии, чем наша Га-

лактика. Спектральные линии квазаров имеют аномально высо-

кое красное смещение — 2,5—2,8. Это значит, что если бы такое

красное смещение было обусловлено эффектом Допплера, то

скорость удаления квазаров в 2,5—2,8 раз превышала скорость

света, что невозможно. Отсюда следует, что большая часть крас-

ного смещения квазаров обусловлена чрезвычайно мощным по-

лем тяготения, т.е. является гравитационным. Если в других га-

лактиках имеются подобные объекты, то их гравитационное крас-

ное смещение будет существенно влиять на общее красное сме-

щение. Вследствие этого картина динамики галактик и расстоя-

ний до них окажется иной по сравнению с чисто кинематической

трактовкой красного смещения. Ведь сейчас обнаружены чрезвы-

чайно отдаленные галактики, красному смещению которых соот-

ветствует, по эффекту Допплера, скорость взаимного удаления в

150 тыс. км/с, и, видимо, эта скорость далее возрастает еще

больше, приближаясь к скорости света, пока галактики не исче-

253

зают за космологическим горизонтом. Такая чудовищная

кинеты

ческая энергия, сопоставимая с энергией массы покоя

галактии

не может быть выведена ни из каких физических законов.

Также необоснованно утверждение о возможности перехода

всей материи в точечную сингулярность. Ведь в релятивистская

астрофизике допускается существование не одной, а очень мне»

гих относительных сингулярностей в центрах черных дыр,

котсн

рые, однако, имеют конечную протяженность и массу,

взаимм

действуют с окружением и даже постепенно «испаряются» в

р«

зультате просачивания частиц во внешнее пространство

чер*Э

потенциальный барьер.

Возникают противоречия и в объяснении самого

феномен!

расширения. Если расширение является действительным

физиче-

ским процессом, то оно происходит за счет «вторжения» расши-

ряющейся Вселенной либо в вакуум типа псевдоевклидова про-

странства, либо в пространство других космических систем

Все^

ленной. Существование абсолютного вакуума нельзя

допустить^

ибо пространство является атрибутом материи и вне нее не суще-]

ствует. Остается признать расширение во внутреннее

пространств

во других материальных систем, которые сами могут как

сжиН

маться, так и расширяться, развиваясь по собственным

законам?

Но тогда современная космологическая теория будет охватывать

лишь Метагалактику — доступную нашему наблюдению

част^

Вселенной.

Можно, правда, встать на другую точку зрения и допустить,

что расширение Вселенной действительно происходит, но

ника-<

кого внешнего объемлющего пространства и других космических

систем не существует. Просто само пространство как бы создает-

ся в процессе расширения Вселенной в том смысле, что с течени-

ем времени увеличивается расстояние между любыми точками и

изменяется геометрия пространства.

Но такая точка зрения заключает в себе внутренние противо-

речия. Если бы было пространство расширялось само по себе, то.

происходило бы увеличение размеров всех материальных систем:

элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик,

причем в той же пропорции, что и увеличение расстояний между

галактиками. Между тем ничего подобного в мире не происходит,

имеется расширение только в масштабе Метагалактики.

Пытаясь найти удовлетворительное решение перечисленных

выше трудностей, были предложены некоторые модели, альтер-

нативные фридмановской космологии. Академик А.А. Логунов

предложил свою космологическую модель, основанную на отказе

254

от общей теории относительности. Он предлагает считать Все-

ленную однородной, изотропной и бесконечно-плоской. Также

он отрицает существование черных дыр, в которых происходит

катастрофически сильное сжатие вещества до бесконечной плот-

ности и из которых не может вырваться наружу никакой матери-

альный сигнал.

Тем не менее,

большая

часть альтернативных космологиче-

ских моделей строится на базе общей теории относительности.

Так, еще в 40-е годы была выдвинута теория устойчивого состоя-

ния расширяющейся Вселенной. Согласно этой теории, Вселенная

всегда находится в устойчивом состоянии, а разбегание галактик

сопряжено с созданием вещества между галактиками.

Современный астрофизик Д.

Нарликар

предложил концепцию

'•неистовой

Вселенной». Он исходит из того, что реальная Вселен-

ная крайне неспокойна, в ней открываются новые объекты —

квазары, пульсары, нейтронные звезды, в ней должны быть не

только черные, но и белые (с обратным ходом времени) дыры.

Все эти объекты очень активны энергетически. В его теории гео-

метрия мира считается евклидовой, а красное смешение, наличие

реликтового излучения объясняется изменением массы элемен-

тарных

частиц со временем. Допускается существование эпохи,

когда эти массы были равны нулю. На этом основании он дока-

пывает,

что Вселенная не расширяется и в ней не было состоя-

ния сингулярности.

11.7.

Другие открытия в астрономии XX века

В XX веке в астрономии произошли радикальные изменения.

Значительно расширился ее теоретический фундамент. Помимо

общей теории относительности, которая легла в основу релятиви-

стской космологии, астрономия стала использовать квантовую ме-

ханику.

Кроме того, значительно усовершенствовалась техника ве-

дения наблюдений, которые стали вестись не только в оптическом,

но

и в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-

Диапазонах. Таким образом, астрономия стала всеволновой. В

Связи

с выходом человека в космос появилась возможность его

исследования

с помощью космических аппаратов. Больших ус-

пехов также добилась межзвездная и внегалактическая астроно-

мия. В конце 40-х годов были обнаружены «звездные ассоциа-

ции», представляющие собой группы распадающихся после своего

Рождения звезд; в 50-е — явления распада скоплений и групп

галактик; в 60-е годы — квазары, радиогалактики, рентгенов-

ские звезды, пульсары, реликтовое излучение и многое другое.

255

Все перечисленные достижения в астрономии привели к ува

личению

числа астрофизических и космологических моделей,

хя

эти модели опираются на разные принципы и не связаны

межд

собой

единой

фундаментальной теорией.

Тем не менее, большое число открытий в астрономии позво

ляет говорить о формировании астрономической картины мира.

Астрономия Новые открытия в автрономии позволил:

о Солнечной уточнить строение Солнечной системы. 1

системе

1^30

г. была открыта девятая планета Сол

нечной системы — Плутон. Также было от

крыто множество спутников планет, астероидов, комет и мете

орных потоков, являющихся частями Солнечной системы.

Такш

образом, в Солнечную систему входят: Солнце, девять планет <

их спутниками, пояс астероидов, а также кометы и метеориты

Планеты располагаются в следующем порядке: Меркурии, Венера

Земля со своим спутником Луной, Марс с двумя спутниками -

Фобосом и Деймосом, Юпитер с пятнадцатью, Сатурн с шест

надцатью,

Уран с пятью, Нептун с двумя спутниками и

Плуто*

со спутником Хароном. Земля расположена в 40 раз ближе к

Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Воз-

можно, за Плутоном есть и другие планеты (притяжение Солнца

может их еще удержать, эта область простирается почти до бли-

жайших звезд, на 230 000 а.е.), но поиски их с помощью теле

скопов слишком сложны. Поэтому, если эти планеты и будут

обнаружены, то только на основе вычислений, как это было

тремя последними планетами Солнечной системы. Поэтому се

годня размеры Солнечной системы оцениваются в 40 а.е. (1 ас-

трономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до

Солнца — 149,6 млн км).

В наши дни астрономы особое внимание обращают на пояс.

астероидов — малых планет, располагающихся между Марсом и

Юпитером.

Сегодня

известно около 40 000 малых планет. Всем

и&

присваиваются женские имена. Самые крупные из них — Це-

рера, Паллада, Веста (их диаметр составляет несколько сот кило-

метров). Остальные астероиды намного меньше. Есть также груп-

па астероидов, траектории движения которых сильно вытянуты и

заходят вглубь орбит планет земной группы. Им присваиваются

мужские имена. Таков, например, астероид Гермес, который под-

ходит к Земле на расстояние всего в 700 000 км. До сих пор

оста-

ется загадкой, откуда взялись астероиды в Солнечной системе.

Одна из гипотез говорит о возможности существования десятой

планеты солнечной системы — Фаэтона, которая в силу каких-то

причин взорвалась, а ее обломки и составили пояс астероидов.

вольшой

интерес исследователей вызывают и кометы — са-

мые

затхючные

объекты Солнечной системы. Тысячелетиями их

появление на небе вызывало смятение и ужас людей. Считалось,

что они — предвестники войн, нашествий и эпидемий. Сегодня

ученые знают о кометах

намного'больше,

чем раньше, но проис-

хождение комет и их устройство все еще остаются загадкой.

I Кометы имеют вид туманных объектов со светлым сгустком-

ядром

центре и хвостом. Количество комет в Солнечной систе-

ме огромно, хотя мы можем видеть лишь незначительную часть

взмет,

заходящих внутрь орбиты Юпитера. Кометы становятся

заметны, когда подходят на расстояние

4—5

а.е. к Солнцу, про-

греваются его лучами, тогда

из

ледяного ядра кометы выделяются

газ и пыль, которые видны в виде хвоста. Орбиты комет очень

вытянуты. В перигелии (ближайшей точке орбиты) они подходят

к Земле и другим планетам земной группы, а в афелии (дальней

части орбиты) — выходят далеко за пределы Солнечной системы.

Поэтому срок обращения комет вокруг Солнца может составлять

несколько сотен лет.

Кометы состоят из водяного льда с примесью углекислого га-

за, метана

циана, а также каменистых веществ. Кометы быстро

теряют вещество и самые стойкие из них живут не больше, чем

несколько тысяч оборотов вокруг Солнца. После этого они раз-

валиваются и превращаются в метеорные потоки.

Результаты наблюдений за кометами сведены в каталоги. Но

всегда есть вероятность появления новых комет или изменения

орбит старых, давно известных комет под действием сил притя-

жения больших планет. В таком случае кометы могут столкнуться

с планетами, в том числе и с Землей. Раньше такие столкновения

уже случались. На Земле есть целый ряд больших кратеров,

имеющих ударное происхождение. Возможные последствия тако-

го столкновения в наши дни показаны в фантастических фильмах

«Астероид»,

«Столкновение с

бездной*

и др. Именно поэтому

сегодня организована служба слежения за космосом, которая

должна предупредить подобные события.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются не

только с помощью телескопов, но и космических аппаратов.

Вслед за Луной, поверхность которой была сфотографирована и

изучена с помощью «Луноходов», спускаемые аппараты были на-

правлены на Марс и Венеру. Также были получены фотографии

спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера.

Самое пристальное внимание ученых всегда привлекало к себе

Солнце — центральное тело Солнечной системы.

Это

ближайшая

257

к нам звезда во Вселенной, относящаяся к разряду желтых карли-

ков. Тем не менее, в Солнце сосредоточено 99,8% массы Сол-

нечной системы. Диаметр Солнца составляет 1 400 000 км, что в

109 раз больше диаметра Земли. Средняя плотность Солнца лишь

1,4

раза больше плотности воды (средняя плотность Земли — в

5,5 раз больше плотности воды), хотя в центре Солнца плотность

вещества значительно

-увеличивается

и становится в

150

раз боль-

ше плотности воды. Температура на поверхности Солнца —

около 6000 К, в глубине — повышается до 10—15 млн К.

По своему строению Солнце состоит из ряда концентриче-

ских сфер. В центре Солнца находится ядро, затем идет конвек-

тивная зона и, наконец, атмосфера, которая состоит из трех час-

тей — фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера — нижняя

часть солнечной атмосферы, из которой исходит почти все излу-

чение Солнца. Ее толщина около 300 км. Выше идет хромосфера,

она видна во время солнечных затмений как розовое кольцо во- .

круг Солнца. В хромосфере образуются пятна, а также протубе- ;

ранцы — выбросы из хромосферы. Корона — самая внешняя и I

наиболее разреженная часть солнечной атмосферы. Форма коро-

(

ны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности |

(11-летний

цикл, связанный, скорее всего, с обращением Юпите-

ра вокруг Солнца). В годы минимума корона сильно вытянута

вдоль экватора, в годы максимума — почти сферична.

Межзвездная Новые открытия в астрономии привели к

астрономия настоящему перевороту в представлениях о

звездах. В XVI в. Д. Бруно высказал гипотезу

о том, что звезды — это такие же солнца, как и наше, но нахо-

дящиеся слишком далеко. Затем были открыты переменные,

двойные звезды. В XIX в. астрономы

В.Я.

Струве,

Ф. Бессель и

Т.

Гендерсон

смогли определить расстояния до трех ближайших

звезд. Тогда же астрономы стали использовать фотографию и

спектральный анализ. Но строение звезд, их эволюция, причи-

ны их светимости еще оставались загадкой. Только благодаря

успехам ядерной физики и физики элементарных частиц были

получены ответы на многие вопросы.

Если посмотреть на ночное небо, то невооруженным глазом

человек может увидеть около 6000 звезд. Сосчитаны и занесе-

ны в звездные каталоги все звезды ярче

-й звездной величи-

ны — их около миллиона. Всего нашему наблюдению доступно

около 2 млрд звезд. Общее количество звезд во Вселенной

оценивается в 10

В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого

вещества в известной нам части Вселенной. Вещество звезд пред-

258

ставляет

собой плазму — четвертое состояние вещества (наряду с

твердым, жидким и газообразным) — ионизированный газ, в ко-

тором положительные и отрицательные заряды в среднем нейтра-

лизуют друг друга.

Расстояния до звезд различны. Самой близкой к нам звездой

является

Центавра, отстоящая от Земли на 4 световых года. От

некоторых звезд свет идет к нам сотни миллионов световых лет.

Основными характеристиками звезд являются их масса, ради-

ус, светимость (полное количество излучаемой энергии), спек-

тральный класс (степень ионизации и возбуждения атомов в ат-

мосфере звезды), абсолютная звездная величина (мера освещен-

ности, создаваемая звездой на Земле на плоскости, перпендику-

лярной падающим лучам).

Некоторые звезды по объему в миллионы раз больше и ярче

Солнца. Так, светимость звезды 8 Золотой Рыбы в 400 тысяч раз

больше светимости Солнца. Есть звезды разреженные, плотность

которых в сотни тысяч раз меньше плотности воды (красные ги-

ганты), и есть белые карлики, плотность которых в сотни тысяч

раз больше плотности воды. Их размеры сравнимы с размерами

Земли. Предельная масса звезд равна

солнечным массам.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длитель-

ного времени, связана с выделением огромного количества энер-

гии. Сегодня считается, что светимость звезд обеспечена двумя

источниками — гравитационным сжатием, приводящим к выде-

лению гравитационной энергии, и термоядерными реакциями,

связанными с выделением большого количества энергии в ре-

зультате синтеза ядер водорода в ядро гелия. Считается, что для

молодых звезд источником энергии служит гравитационное сжа-

тие, которое и «зажигает» термоядерную реакцию, повышая тем-

пературу внутри звезды до

10—15

млн К. Если звезда имеет ма-

лую массу и температура в ее ядре недостаточна для начала тер-

моядерной реакции, она светит только за счет гравитационного

сжатия. Правда, тогда продолжительность жизни такой звезды

составит не более 30 млн лет.

м.

иг

-....

История исследования галактик началась

астрономия почти сразу после изобретения телескопа.

Еще В. Гершель открыл существование мно-

жества светлых пятен туманного вида, видимых в разных созвез-

диях в одних и тех же местах. Их назвали туманностями. Но до

20-х годов XX в. природа и строение этих туманностей остава-

лись загадкой. Новые мощные телескопы позволили рассмот-

реть, что туманности — это не облака пыли или газа, а очень

далекие звездные системы с огромным количеством звезд. Таким

* 259

образом, стало ясно, что во Вселенной существует не один толь-

ко Млечный Путь — Галактика, частью которой является наша |

Солнечная система, но и многие другие галактики.

В это же время американскому астроному Э, Хабблу при

изу-1

чении далеких галактик удалось обнаружить в них переменные 1

звезды. Измеряя блеск переменных звезд, ему удалось выяснить

расстояние до галактик, в которые они входили. Ближайшая к I

нам галактика — Туманность

Андромеды

(она видна как

размы-,1

тое пятно в созвездии Андромеды), до нее около 1,5 млн свето- •

вьгх лет и ее можно увидеть невооруженным глазом. Самые да- '

лекие галактики расположены на расстоянии 10 млрд световых

лет, они видны только в самые мощные телескопы. Размеры их

разные — есть карликовые галактики диаметром в несколько

десятков световых лет и есть галактики-великаны, доходящие до

18 млн световых лет в поперечнике.

Наблюдая другие галактики, ученым следует помнить, что

свет от них до Земли идет миллионы и миллиарды лет, поэтому

мы сегодня видим далекое прошлое этих галактик.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них,

но и количество галактик, известных сегодня. Самый большой

6-метровый телескоп позволяет сфотографировать несколько

миллиардов галактик. Поэтому наблюдаемая нами часть Все-

ленной — это в основном мир галактик, которые существуют

не поодиночке, а в скоплениях и группах галактик.

Чрезвычайно разнообразны формы галактик. Еще Хаббл вы-

делил три основные формы галактик. Около 60% всех галактик

составляют спиральные галактики, для которых характерны две

сравнительно яркие ветви, выходящие из ядра. Эти ветви распо-

ложены по спирали. Наша Галактика относится к спиральному

типу. 13% галактик относится к типу эллиптических галактик,

имеюших

форму эллипсоидов. Остальные галактики являются

неправильными. Это линзообразные, кольцевые, дисковидные,

карликовые галактики.

Лучше всего сегодня исследована Местная группа галактик, в

которую входят наша Галактика, Туманность Андромеды, 14 кар-

ликовьгх

эллиптических галактик, несколько внегалактических

шаровых скоплений и неправильные галактики, самые крупные

из которых — Большое и Малое Магеллановы Облака.

Особый интерес у ученых вызывает наша Галактика — Млеч-

ный Путь. Большая часть нашей Галактики хорошо видна невоо-

руженным глазом в виде светящейся полосы. К сожалению, Зем-

ля расположена не очень удачно для наблюдений Галактики, мы

находимся внутри нее и не можем увидеть ее со стороны.

260

Тем не менее, известно, что наша Галактика представляет

собой гигантскую звездную систему, состоящую примерно из

200 млрд звезд, среди которых — наше Солнце. Кроме звезд в

Га-

лактику входит много пыли, газа, она пронизана магнитными по-

лями и космическими излучениями. По форме наша Галактика

является спиральной.

Ббльшую

ее часть составляет правильный

лиск

с шарообразным утолщением в центре, напоминающий линзу

или чечевицу. Диаметр Галактики — около 100 000 световых лет,

толщина — в 10—15 раз меньше, возраст — около

млрд лет.

В состав Галактики входят разные звезды. Есть старые и мо-

лодые звезды, возраст которых не превышает 100 тыс. лет. Но

большая часть звезд имеет средний возраст — несколько милли-

ардов лет. К этой группе относится и наше Солнце. Оно распо-

ложено ближе к краю Галактики, на расстоянии 25 000 световых

лет от ее ядра. Солнечная система обращается вокруг центра Га-

лактики со скоростью около 220 км/с за 250 млн лет. Этот пе-

риод может быть назван галактическим годом.

В спиральных рукавах Галактики звезды расположены не-

равномерно, образуя «трубы», в стенках которых находятся звез-

ды. Эти рукава соединяются с ядром Галактики. Строение ядра

до сих пор остается загадкой и привлекает к себе внимание ас-

трономов. Ядро — сравнительно небольшая область, из которой

непрерывно истекает протонно-водородный газ массой 1,5 мас-

сы Солнца в год. Откуда берется этот газ и что происходит в

ядре, современная наука не знает. Хотя в последнее время поя-

вилась гипотеза, что, возможно, в ядре находится черная дыра.

Средние

расстояния

между галактиками в группах и скопле-

ниях примерно в 10—20 раз больше, чем

размеры

крупнейших

галактик. Таким образом, галактики заполняют пространство с

большей относительной плотностью, чем звезды внутри галак-

тик (расстояния между ними в 20 млн раз больше их диаметра).

Хотя в телескопы ученым удается увидеть только галактики,

в темном пространстве, разделяющем их, несомненно, присут-

ствует вещество. Межзвездное пространство заполнено газом и

пылью, состоящей в основном из водорода и гелия с незначи-

тельной примесью других химических элементов, Кроме того,

оно насыщено различными излучениями, потоками нейтрино и

космических частиц, состоящих из множества разнообразных

элементарных частиц. В местах наибольшего скопления газопы-

левого вещества астрофизикам удалось обнаружить различные

органические соединения — углеводороды, спирты, эфиры и

даже аминокислоты.

261

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактиче-

ской среды образует Метагалактику — доступную для

наблюде-

ния часть Вселенной, важным свойством которой является од-

нородность и изотропность распределения вещества в ней.

Но^

такой Метагалактика была не всегда. В прошлом, как считает

современная космология, она была анизотропна и неоднородна.

Поисками следов этого состояния занимается внегалактическая

астрономия.

Вопрос о том, является ли Метагалактика единственной, мож-

но ли поставить знак равенства между Метагалактикой и всей

Вселенной, пока остается открытым. Существуют гипотезы о

множественности метагалактик, множественности вселенных,

каждой из которых действуют свои фундаментальные законы.

Современная наука такой возможности не отрицает. Все, что не

запрещено законами природы, где-либо и когда-нибудь может

быть реализовано.

Ц^?

Вопросы для обсуждения

1.Что такое космология? В чем ее отличие от космогонии?

Что такое параллактическое смещение? Базис параллактического сме-

щения?

3. Что такое астрофизика? Какие научные теории способствовали ее по-

явлению?

4. В чем суть фотометрического парадокса?

5. В чем суть гравитационного парадокса?

Что такое красное смещение?

7. Что такое эффект

Допплера?

8. Каково строение Солнечной системы?

9. Что собой представляет Солнце? Какова его структура?

10.

В чем причина светимости звезд?

11.

Что такое галактики? Какими они бывают?

Глава

Эволюция Вселенной

Вопрос о возникновении и развитии Вселенной был предмет

научного поиска для многих поколений ученых. В истории

нау

существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. С

временное естествознание объясняет возникновение

Вселенно*

помощью концепции Большого взрыва, впервые предложенной

вестным физиком Г.

Гамовым

в 1948 г. Основные черты этой мо,

ли сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены

теор>

инфляции,

или теорией раздувающейся Вселенной,

разработана

американскими учеными А. Гутом и

П.

Стейнхардтом

и доги

ненной советским физиком А.Д. Линде. Также нужно отметить,

для описания эволюции Вселенной были использованы метод г.

бального эволюционизма и концепция самоорганизации

матери:

Исследуя проблему происхождения Вселенной, известный а

риканский

астроном Карл Саган построил образную модель

эволюции, в которой космический год равен 15 млрд

зем*

лет, а 1 секунда — 500 годам. В таком случае эволюция

Вселеш

будет выглядеть так:

Большой взрыв

Образование галактик

Образование Солнечной

систем!

Образование Земли

Возникновение жизни на Земле

Океанский планктон

Первые рыбы

Первые динозавры

Первые млекопитающие

Первые птицы

Первые приматы

Первые

гоминиды

Первые люди

1 января 0 ч 0 мин

10 января

9 сентября

14 сентября

25 сентября

декабря

24 декабря

26 декабря

27 декабря

29 декабря

30 декабря

31 декабря в 22 часа 30 мин

12-1-

Рождение Вселенной

_ Примерно

млрд лет отделяет нашу

эпох!

начало

нашей

от начала

процесса расширения Вселенной,

Вселенной? когда вся наблюдаемая нами Вселенная бы-

ла сжата в комочек, в миллиарды раз мень-

ший булавочной головки. Если верить математическим

расче-

там, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе ра-

вен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное

состояние называется сингулярностью (точечный объем с беско-

нечной плотностью). Известные законы физики в сингулярно-

сти не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-

либо познает и объяснит такое состояние вещества. Так что ес-

ли сингулярность и является начальным простейшим состояни- ;

ем нашей расширяющейся

Вселенной,.то

наука не располагает о

нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и време-

ни становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет

не просто замыкание пространственно-временного континуума,

как это следует из общей теории относительности, а его полное

разрушение. Правда, понятия и выводы общей теории относи-

тельности применимы лишь до определенных пределов — мас-

штаба порядка

10~

см. Дальше идет область, в которой дейст-

вуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная ста-

дия расширения Вселенной является областью, в которой гос-

подствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться

принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому ве-

щество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что

никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в началь-

ном состоянии имело

определенную

плотность и размеры. По

некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселен-

ной, которое оценивается примерно в

г, сжать до плотности

г/см

, оно заняло бы объем около

10~

см

что примерно в

1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы

разглядеть и в электронный микроскоп.

Причины возникновения такого начального состояния, или

сингулярности, а также характер пребывания материи в этом со-

стоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетен-

ции любой современной физической теории. Неизвестно также,

что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было

сказать и о причинах Большого взрыва и переходе к расширению

Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытаю-

264

шиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной

модели развития Вселенной.

„

Итак, очевидно, что исходное состояние пе-

пЭКууМ

сГО

РОЛЬ

эволюции

ед

"Началом»

не является

точкой

в матема-

Вселенной тическом смысле. Оно обладает свойствами,

выходящими за рамки научных представле-

ний сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное

состояние было неустойчивым, породившим взрыв — скачкооб-

разный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно,

было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позд-

нее. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы мате-

рии, законы, управляющие их поведением, пространственно-вре-

менной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из ко-

торого при последующем развитии системы шаг за шагом форми-

ровался порядок. Первоначальный хаос оказался неустойчивым,

что и послужило исходным толчком для всего дальнейшего раз-

вития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пусто-

ты — абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы

и тела, в которые те соединяются. Современная наука на новом

уровне интерпретирует идеи Демокрита. Его представление об

атомах трансформировалось в физику микромира, но демокри-

товское представление о пустоте как о среде, разделяющей час-

тицы, изменилось кардинально. Эта среда не является абсолют-

ной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма свое-

образными свойствами, пока еще малоизученными. По тради-

ции эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться

пустотой, вакуумом.

Вакуум — это пространство, в котором отсутствуют ре-

альные частицы и выполняется условие минимума плотности

энергии в данном объеме.

Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто,

в нем не может содержаться

энергия,

даже минимальная. Но это

представление пришло из классической физики. Квантовая же

теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, оп-

ровергает его. Мы помним, что принцип неопределенности ут-

верждает невозможность точного одновременного определения

напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно

нулю, то напряженность поля равняться нулю не может, иначе

оба параметра будут известны и принцип неопределенности бу-

дет нарушен. Поэтому напряженность поля в вакууме представ-

ляет собой флуктуационные колебания около нулевого значе-

265