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

Подождите немного. Документ загружается.

ния. Соответствующая этим колебаниям энергия будет мини- |

мально возможной.

В соответствии со свойством корпускулярно-волнового

дуа-1

лизма колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь

мы!

сталкиваемся

еше

с одним парадоксом микромира.

Квантовые]

эффекты могут на очень короткое время приостанавливать дейст- I

вие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка вре- 1

мени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в ]

том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при I

этом частицы будут

короткоживущими,

так как израсходованная |

на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю

секунды. Тем не менее, частицы могут фактически возникнуть из

ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть,

и эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти ]

частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить

следы своего кратковременного существования. Они представля-

ют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных пере-

носчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения

или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным

виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон

энергии. А то, что мы называем частицами, — всего лишь редкие

возмущения, подобные

«пузырькам»

на поверхности целого моря

активности.

Современные теории предполагают, что

энергия

вакуума про-

является отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужден-

ным и может находиться в одном из многих состояний с сильно

различающимися энергиями. При этом разным энергетическим

уровням вакуума соответствуют разности отрицательных давле-

ний, так как для квантового вакуума характерно наличие сил от-

талкивания.

Инфляционная Очевидно, вакуум играет роль базовой фор-

стадия

эволюции

мы

мате

ии

На

самой ранней фазе эволю-

Вселенной

ции

Вселенной именно ему отводилась веду-

щая роль. Экстремальные условия «начала»,

когда даже пространство-время было деформировано, предпола-

гают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое на-

зывают

«ложным»

вакуумом. Состояние «ложного» вакуума ха-

рактеризуется энергией предельно высокой плотности, которой

соответствует предельно высокая плотность вещества, в резуль-

тате чего в веществе могут возникать сильнейшие напряжения,

отрицательные давления, равносильные гравитационному

оттал-

266

киванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стре-

мительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и бы-

ло первотолчком, «началом» нашего мира.

Самый ранний этап эволюции Вселенной занял

10~

с и по-

лучил название эры квантовой гравитации. В эру квантовой

гра-

витации все четыре фундаментальных взаимодействия были объе-

динены и не отличались друг от друга. Но об этом периоде мы

пока ничего не знаем. К концу периода Вселенная охладилась

настолько, что гравитационное взаимодействие отделилось от

других взаимодействий, оставшихся слитными.

С этого момента начинается стремительное расширение Все-

ленной, возникают время и пространство, идет безудержное раз-

дувание «пузырей

пространства*,

зародышей одной или несколь-

ких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими

фундаментальными константами и законами.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экс-

поненте, занимает чрезвычайно малый промежуток времени —

до

10~

с после «начала». Он называется инфляционным периодом.

За

1(Г

с размеры Вселенной увеличились в

1О

раз, от милли-

ардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.

Каждый из таких «пузырей» расширялся со скоростью света, а

в целом Вселенная раздувалась со скоростью, в миллионы раз

большей скорости света. Принципы теории относительности, за-

прещающие движение быстрее света, при этом не нарушались,

так как обмен информацией шел только между причинно связан-

ными областями, а «пузыри» пространства таких связей не имели.

Один из таких «пузырей» стал зародышем нашей Метагалактики.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной,

но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно

^горячей».

Всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огром-

ными запасами энергии, заключенными в

«ложном»

вакууме. Та-

кое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распа-

ду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчи-

вается и инфляция. Энергия, существовавшая в виде множества

реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно

нагревшего Вселенную до

К. С этого момента Вселенная

развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого

взрыва. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество,

затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные

фазовые переходы, каждый из которых переводил ее в более

сложное состояние.

267

12.2.

Ранний

этап

эволюции Вселенной

Доступная наблюдению часть Вселенной состоит на 99%

ия

водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгусти

не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва

утвер-3

ждает, что от появления

протовешества

до образования

ядед

атомов водорода и гелия прошло немногим более трех минул

На этом временном промежутке стремительно

преобразовывав

лись

вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись

процессами расширения и остывания сгустка.

-а„„

п„„.

„™

этому времени, названному эрой Великого

&Оа

исЛ

КО

ГО ^

-ь

г~

объединения объединения, Вселенная представляла собой

плазму из элементарных частиц всех видов и

их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при

температуре

К. В этом сгустке были лептоны (электроны,

мюоны,

тау-лептоны,

все виды нейтрино), кварки и их античас-

тицы. Все они свободно превращались друг в друга. В сгустке

помимо гравитационного взаимодействия существовало великое

(большое) взаимодействие со своим переносчиком — бозоном

Хигтса. Плотность Вселенной в это время была столь велика, что

она была непрозрачна для электромагнитного излучения. Эра Ве-

ликого объединения продолжается от

10~

до

10~

с.

Адронная

эра

от 10

ЗЭ с до 10

6 с

вступила

адрон-

ная

эра. Она началась с разделения кварков

лептонов,

когда температура понизилась и стала меньше

К.

При этом сильное взаимодействие отделилось от электрослабого.

Бозон

Хиггса

распался на глюоны и безмассовый бозон — пере-

носчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения

переходов кварков в лептоны число кварков

несколько

превыша-

ло число антикварков, а число электронов — число позитронов.

Таким образом, современное существование Вселенной связано с

нарушением симметрии на самых ранних этапах ее эволюции.

Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В

общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц

и античастиц приходилась одна частица, которой не хватало пары

для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление веще-

ственной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разум-

ными существами на некоторых из них.

При снижении температуры до

К электрослабое взаимо-

действие разделилось на слабое и электромагнитное. При этом

электрослабый бозон распался на фотон и три тяжелых вектор-

268

ных бозона. Таким образом, во Вселенной утвердились все четыре

известные сегодня науке фундаментальные взаимодействия.

Понижение температуры до

прекратило свободное

су-

шествование кварков. Они слились в адроны, важнейшими из

которых стали протоны и нейтроны. При этом барионов опять-

таки было больше, чем

антибарионов.

Лептонная

эра

Я^ъе

наступает лептонная эра, продолжаю-

щаяся от

10~

до 1 с после начала. Темпера-

тура при этом упала от

до

К. В это время основную

роль играли лептоны, участвовавшие во взаимных превращениях

протонов и нейтронов. К концу

лептонной

эры происходила

аннигиляция электронов и позитронов, и опять электронов

бы-

ло немного больше, чем позитронов, поэтому остались только те

электроны, которым не хватило пары. Оставшихся электронов

оказалось ровно столько, что они смогли точно компенсировать

суммарный электрический заряд протонов, появившихся рань-

ше, в адронную эру. В конце лептонной эпохи вещество стало

прозрачным для нейтрино, которые перестали взаимодейство-

вать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.

онная э

Вслед за лептонной следует фотонная эра

(эра

излучения),

которая продолжалась от 1 с

до 1 млн лет. Температура Вселенной снизилась от

до 3000 К.

На протяжении первых трех минут происходили важнейшие для

дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклео-

синтеза — соединения протонов и нейтронов (которых было

примерно в 8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра. К кон-

цу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из про-

тонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые

доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие

элементы. Правда, не следует забывать, что барионное вещество

составляло ничтожную часть Вселенной, ее основными компо-

нентами были фотоны и нейтрино. К этому времени Вселенная

стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от

вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликто-

вым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохрани-

ло «память» о структуре барионного вещества в момент разделе-

ния и представляет собою радиоволны в сантиметровом диапа-

зоне, которые были открыты в 1964 г. Эти сигналы равномерно

поступают со всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь

отдельным радиоисточником. Их открытие стало серьезным под-

тверждением концепции

«горячей»

Вселенной и теории Большо-

го взрыва.

269

Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качест-

венных изменений — шло медленное остывание и расширение

Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась

все!

более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов, ядра

атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные элек-

троны и превращаться при этом в электронейтральные атомы

водорода и гелия.

В результате образовалась однородная Вселенная, состоящая

из трех почти не взаимодействующих субстанций:

1) барионного вещества (водорода, гелия и их изотопов);

2) лептонов (нейтрино и антинейтрино);

3) излучения (фотонов).

К этому времени уже не было высоких температур и боль-

ших

давлений.

Казалось, в перспективе Вселенную ждет даль-

нейшее расширение и остывание, образование «лептонной пус-

;

тыни» — что-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло,

напротив, произошел скачок, создавший современную структур-

ную Вселенную. По современным оценкам, переход от однород-

ной к структурной Вселенной занял от 1 до 3 миллиардов лет.

12.3. Структурная самоорганизация

Вселенной

Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают

и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения

внутри уплотнений проявляют себя заметнее, чем вне их. Позто-

му несмотря на общее расширение Вселенной вещество притор-

маживается и его плотность начинает постепенно нарастать. По-

явление таких уплотнений и стало началом рождения крупно-

масштабных структур — галактик, а затем и отдельных звезд.

Рождение Итак, первым условием образования галак-

эволюция

тик во

Вселенной стало появление случай-

галактик

КЬ|Х

скоплений вещества в однородной Все-

ленной. Впервые подобная мысль была вы-

сказана еще И. Ньютоном, который утверждал, что если бы ве-

щество было равномерно рассеяно по бесконечному простран-

ству, оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собира-

лось бы частями в разных местах бесконечного пространства.

Эта идея Ньютона стала одним из краеугольных камней совре-

менной

космогонии.

Вторым условием появления галактик стало наличие малых

возмущений,

флуктуации

вещества, ведущих к отклонению от

однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации

270

и стали теми «затравками», которые привели к появлению более

крупных

уплотнений

вещества. Эти процессы можно представить

по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Зем-

ли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных час-

тичках — ядрах конденсации. Ими могут быть частички сажи или

поваренной соли. Конечно, между атмосферой Земли и ранней

Вселенной разница очень велика. Но считается, что и там, и там

наличие затравочных

флуктуации

необходимо.

К сожалению, современной науке пока не известны причины

появления таких флуктуации. Но считается, что наличие единст-

венной силы — гравитации, действующей в однородной Вселен-

ной, достаточно для нарушения исходной однородности. Анализ

процессов гравитационной неустойчивости привел к понятию

«джинсовой

массы» и «джинсова размера» (в честь Д. Джинса —

знаменитого английского астронома, занимавшегося анализом

данных проблем).

Джинсов размер

—

это критический размер сгущения веще-

ства, необходимый для появления затравочной флуктуации.

Джинсова масса — масса этого сгущения.

Если размеры и масса сгущения меньше критических вели-

чин, то в конце концов сгущение начнет расширяться и посте-

пенно рассосется, от него не останется и следа. Если же разме-

ры и масса сгущения больше критических величин, то плот-

ность сгущения будет расти.

В середине XX в. советский академик Е. Лифшиц выполнил

расчеты, описывающие поведение таких сгущений. Он доказал,

что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей

плотностью будут расширяться медленнее, чем Вселенная в це-

лом, что они будут постепенно отставать в расширении от ос-

тальной Вселенной и в какой-то момент времени совсем пере-

станут расширяться.

Эти изолированные участки вещества очень велики по мас-

се —

10'

—

масс Солнца. Эти массы под действием грави-

тации начинают сжиматься, причем происходит это весьма свое-

образно — анизотропно. Вначале исходные объекты имели форму

куба, а затем сжались в пластинку — «блин».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «бли-

ны» очень скоро вырастают в плотные слои. Слои пересекаются,

в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая

структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдель-

ный блин представляет собой сверхскопление галактик и имеет '•

плоскую форму.

271

Так как «блинная» теория не свободна от недостатков, есть

другие космогонические гипотезы. Так, возможно, первичные

сгущения имели массу

—

масс Солнца, и из них сразу воз-

никли и шаровые скопления, и галактики, и скопления

галактик..

Эти первичные сгустки, сжимаясь, становились сферически

сим-'

метричными.

Кроме того, они сразу

фрагментировались

на звезды. !

Существуют предположения, почему чаще встречаются

спи-1

ральные галактики, чем галактики других типов. Возможно, спи- |

ральные галактики образуются в результате слияния протогалактик |

в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы,

затем за несколько сотен миллионов лет (немного, по космиче-

ским меркам) неровности сглаживаются, и образуется массивная

эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения

такой галактики может образовываться дискообразная структу-

ра, постепенно приобретающая вид спиральной галактики. Под-

тверждением этой точки зрения является наличие галактик пе-

реходного типа, занимающих промежуточное положение между

•]

спиральными и эллиптическими галактиками.

Также есть предположение, почему в скоплениях галактик I

присутствует одна гигантская галактика, а остальные — мелкие.

Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного пре-

восходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере |

того, как галактика двигалась по спиральной траектории к цен-

тру скопления, она заглатывала более мелкие системы. Такие

мелкие галактики, обреченные на «съедение», называют галак-

тиками-миссионерами.

Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галак-

тик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции прото-

галактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космо-

логическое расширение не успело их разогнать далеко друг от

друга, поэтому между ними возникали значительные гравитаци-

онные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодейст-

вий, которые и вызывали вращение галактик.

Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Зна-

чительная часть галактической материи вращается дифференци-

ально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая вни-

мания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно да-

лекие космические тела, и скорость вращения этих тел уменьша-

ется с увеличением их расстояния от центра. Но есть часть дис-

ка нашей Галактики, который вращается твердотельно, как му-

зыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части

галактического диска угловая скорость вращения одинакова для

272

любой точки. Кстати; наше Солнце находится в таком участке

Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференци-

ального вращения равны. Такое место называется

коротационным

кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные

условия для процессов звездообразования.

Самый большой интерес ученых вызывает вращение спираль-

ных рукавов Галактики. Есть предположение, что, возможно, в

центре Галактики находится сингулярная точка — черная дыра, в

которой не только перерабатывается, но и рождается материя.

Истечение этой рождающейся в центре Галактики материи и об-

разует спиральные структуры.

_ Рождение звезд в Галактике происходит по- '

и эволюция звезд

стоянно

Эт°

процесс компенсирует так же

непрерывно происходящую смерть звезд.

Поэтому в Галактике есть звезды старые и молодые. Самые ста-

рые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, возраст их

сравним с возрастом Галактики. Старые звезды формировались,

когда

протогалактическое

облако распадалось на все более мел-

кие сгустки, в результате постепенного дробления которых воз-

никли скопления звездных масс.

Современные звезды возникают из

газопылевых

облаков,

размеры которых больше критической джинсовой длины. Газо-

пылевые облака начинают сжиматься под действием гравитаци-

онных сил, и энергия сжатия превращается при этом в излуче-

ние, которое может свободно выходить из облака в космическое

пространство. При дальнейшем сжатии температура внутренних

областей облака повышается, и таким образом образуется про-

тозвезда

(горячее ядро), которую еще почти не видно, так как

она находится внутри родительского облака. Период сжатия об-

лака солнечной массы составляет около миллиона лет.

Затем протозвезда сжимается гораздо медленнее. В ней про-

текают

конвекционные процессы, связанные с перемещением

внутренних, более горячих слоев вещества снизу вверх и холод-

ных наружных — сверху вниз. При этом температура протозвез-

ды достигает нескольких тысяч градусов. Кроме того, конвекция

сопровождается короткой вспышкой светимости.

При этом процесс сжатия протозвезды продолжается, стремясь

к некоторому конечному значению. Светимость протозвезды при

зтом

падает. Данный этап занимает десятки миллионов лет. На-

конец, сжатие прекращается, в звезде начинаются термоядерные

реакции, и она становится стабильной обычной звездой, в кото-

рой действие сил тяготения, стремящихся сжать ее в точку, урав-

О7Ч

новешивается внутренним давлением газа, истекающим из

звв

ды. Такая звезда является саморегулирующейся системой.

Т(

если температура внутри нее повысится, то звезда

раздуваете

Если

теплоотвод

превысит

тепловыделение, то звезда

начн

сжиматься и разогреваться, ядерные реакции ускоряются, и

ланс

восстанавливается.

С момента начала

термоядерной

реакции, превращающей

дород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так

зываемую главную последовательность, в соответствии с

ко!

рой будут изменяться с течением времени характеристики

зве

/ш

— ее светимость, температура, радиус, химический состав

масса. После выгорания водорода в

центральной

зоне у

звез;

образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные

реакци

продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи

поверя

ности

этого ядра. Ядерные реакции перемешаются на

периф(

рию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешня

оболочка — расширяться. Оболочка разбухает до колоссальны]

размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда пе

реходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда

вы

ходит на завершающий этап своей жизни. С нашим Солнце»

это произойдет примерно через 8 млрд лет. При этом его разме

ры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до

орбит!

Земли, так что от планет земной группы ничего не

останется

(или останутся оплавленные камни).

Для красного гиганта характерна низкая внешняя

температу*

ра, но очень высокая внутренняя. Одновременно в термоядер-

ные процессы включаются все более тяжелые ядра, что приводит

к синтезу химических элементов. При этом красный гигант не-

прерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное

пространство. Так, только за один год Солнце на стадии красно-

го гиганта может потерять одну миллионную часть своего веса.

Таким образом, всего за десять — сто тысяч лет от красного ги-

ганта остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда стано-

вится белым карликом. То есть белый карлик как бы вызревает

внутри красного гиганта, а затем сбрасывает остатки оболочки,

из которой образуется планетарная туманность.

Такие звезды невелики по своим размерам — по диаметру он

даже меньше Земли, хотя их масса сравнима с солнечной. Но

плотность такой звезды в миллиарды раз больше плотности во-

ды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны.

Тем не менее, это вещество является газом, хотя и

чудовищной

плотности. Это очень плотный ионизированный газ, состоящий

274

из ядер атомов и отдельных электронов. В белых карликах тер-

моядерные реакции практически не идут, они возможны лишь в

атмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной

среды. В основном, эти звезды светят за счет огромных запасов

тепловой энергии. Время охлаждения белого карлика сотни мил-

лионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его меняется

от белого к желтому, а затем к красному. Наконец, он превра-

щается в черный карлик — мертвую холодную маленькую звезду

размером с земной шар, который невозможно увидеть из другой

планетной системы.

Несколько иначе развиваются более массивные звезды. Они

/Швут

всего несколько десятков миллионов лет. В них очень бы-

стро выгорает водород, и они превращаются в красные гиганты

нсего

за 2,5 млн лет. При этом в их гелиевом ядре температура

повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая тем-

пература дает возможность протекания реакций углеродного цик-

ла — слияние ядер гелия в углерод. Ядро углерода в свою очередь

может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро ки-

слорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звез-

ды сжимается, и температура в нем поднимается до 3 — 10 млрд

градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются

вплоть до образования ядер железа

—

самого устойчивого во всей

последовательности химического элемента. Более тяжелые хими-

ческие элементы — от железа до висмута — также образуются в

недрах красных гигантов

в.

результате медленного захвата нейтро-

нов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных ре-

акциях, а наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все

убыстряется.

Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу

Менделеева, предположительно происходит в оболочках взры-

вающихся звезд, при их превращении в новые или сверхновые

звезды,

которыми становятся некоторые красные гиганты. В за-

шлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ

более не способен противостоять давлению ядерного газа. Насту-

пает коллапс — катастрофическое сжатие звезды, она «взрывается

внутрь». Но если отталкивание частиц или другие причины все

же останавливают коллапс, происходит мощный взрыв — вспыш-

ка сверхновой звезды, в окружающее пространство сбрасывается не

только оболочка звезды, а до 90% ее массы, что приводит к обра-

зованию газовых туманностей. При этом светимость звезды уве-

личивается в миллиарды раз. Так, был зафиксирован взрыв

сверхновой

звезды

в 1054 г. В китайских летописях было записа-

275

но, что она была видна днем, как Венера, в течение 23 дней.'

наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звезда

тавила после себя Крабовидную туманность, являющуюся

мо!

ным источником радиоизлучения.

Взрыв сверхновой звезды связан с выделением

чудовищно!

количества энергии. При этом рождаются космические луч

намного повышающие естественный радиационный фон и но

мальные дозы космического излучения. Так, астрофизики

п«

считали, что примерно раз в 10 млн лет сверхновые звезды

всгп

хивают

в непосредственной близости от Солнца, повышая ест

ственный радиационный фон в 7 тысяч раз. Это чревато

серь&

нейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме

топ

при взрыве сверхновых звезд идет сброс всей внешней

оболочк

звезды вместе с накопившимися в ней

«шлаками»

— химически

ми элементами, появившимися в результате нуклеосинтеза. По

этому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все и

вестные

на сегодняшний день химические элементы тяжеле

гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце,

самого начала содержат в своем составе и в составе

окружающее

го их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может

остаться

в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды или

черной

дыры.

Теоретически предсказанные нейтронные звезды, или так на-

зываемые пульсары, были открыты в 1967 г. Плотность нейтронных

звезд выше, чем плотность белых карликов в миллиарды раз, и

достигает

— 10

г/см

. При этом начинаются процессы

нейтронизации

— чудовищное давление внутри звезды «вгоняет»

электроны в атомные ядра, и звезды постепенно превращается в

гигантскую нейтронную каплю, так что чайная ложка вещества

такой звезды весит миллиарды тонн. Температура ее около 1 млрд

градусов, а масса заключена между 1,2 и 2,4 массами

Солнца.

При

этом размеры такой звезды составляют всего лишь около 20 км в

диаметре. Нейтронные звезды довольно быстро остывают. Мень-

ше ста тысяч лет требуется, чтобы температура нейтронной звез-

ды упала до сотни миллионов градусов.

Нейтронные звезды очень быстро вращаются. Кроме того, они

обладают очень мощным магнитным полем, напряженность которо-

го составляет сотни тысяч миллиардов гаусс. Пустота в литровой

банке, содержащей внутри себя: такое поле, весила бы около тыся-

чи тонн. Столь сильное магнитное поле в сочетании с быстрым

вращением нейтронной звезды приводит к тому, что эти звезды

испускают радиоволны в виде узких пучков направленного излуче-

ния,

представляющего повторяющиеся импульсы. Поэтому ней-

тронные звезды и называют пульсарами. Стареющие нейтронные

звезды в некоторых случаях могут стать рентгеновскими пульсара-

ми, излучая не радиоволны, а рентгеновские лучи.

Если масса завершающей свой жизненный путь звезды боль-

ше 2—3 масс Солнца, то гравитационное сжатие приведет непо-

средственно к образованию черной дыры, свойства которой были

описаны в общей теории относительности. Если такая звезда

является частью системы двойной звезды, то газ с видимой звез-

ды может перетекать к черной дыре, образуя вокруг нее закру-

чивающийся диск. При этом колоссальная кинетическая энергия

частиц, разгоняемых тяготением черной дыры, частично перехо-

лит в рентгеновское излучение, и по нему черная дыра

может

быть обнаружена. Возможно, именно черная дыра находится в

рентгеновском источнике Лебедь

Х-1.

Математический анализ показывает, что черная дыра может

перемешаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь

иной вселенной. Поэтому воображаемый космический путеше-

ственник мог бы теоретически использовать черную дыру в ка-

честве средства передвижения по вселенным. Такими точками пе-

рехода должны быть сингулярности, образующиеся в черной дыре.

Правда, возможность такого перехода существует лишь гипотети-

чески, так как любой объект при приближении к черной дыре

будет раздавлен приливными гравитационными силами.

Также расчеты показывают, что черные дыры испаряются за

счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной ды-

ры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом

черной дыры. При этом, чем меньше черная дыра по массе, тем

выше ее температура и тем быстрее она испаряется. Размеры чер-

ных дыр могут быть разными: от массы галактики

(Ш^г)

до пес-

чинки массой

10~

г. Так, черная дыра с массой в

масс

Солнца

испарится за

лет. Поэтому маленьких черных дыр, которые

могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва,

уже нет, а вот дыры больших размеров вполне могли сохраниться

даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются найти с по-

мощью гамма-телескопов.

В целом же, по-видимому, на долю черных

дыр

и нейтрон-

ных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн звезд.

Экстремальные физические условия в них делают их уникаль-

ными естественными лабораториями, дающими обширный ма-

териал для исследования физики ядерных взаимодействий, эле-

ментарных частиц и теории гравитации.

277

Л йш Хотя появление крупномасштабных

структу]

усложнение

во Вселеннои

привело к образованию

мно

вещества

жества

разновидностей галактик и звезд

во Вселенной среди которых есть совершенно уникальны

объекты, все же с точки зрения дальнейше

эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд

красных гигантов. Именно в красных гигантах в результате про

цессов

звездного нуклеосинтеза появилось большинство

элемен

тов таблицы Менделеева. При этом химические элементы

пощ

дали в межзвездное пространство не только при

лревращени

красного гиганта в новую или сверхновую звезду. За время

свое!

активного

существования

красный гигант отдает в

межзвездну!

среду ежегодно не менее

1СГ

—

10~

масс Солнца. Поэтому, ка

было отмечено выше, звезды второго поколения с самого начал

содержат в своем составе примесь тяжелых элементов.

Появление тяжелых элементов в составе звезды дало

толчо

новым усложнениям вещества: образованию планет и

появления

на некоторых из них жизни и, возможно, разума. Поэтому

обра

зование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.

12.4. Образование Солнечной системы

Как и в случае с эволюцией Вселенной, современное естест-

вознание не дает точного описания этого процесса. Но современ

ная

наука решительно отвергает допущение о случайном

образов

вании и исключительном характере образования планетных

сие

тем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в

пользз

наличия планетных систем у многих звезд. Около 40 планет

)

солнцеподобных звезд уже открыто. Кроме того, примерно у

10%

звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточ-

ное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутст

вием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые являются на-

чальным этапом формирования планетных систем.

Ищут планеты с помошью измерения периодических изме-

нений скорости движения звезд. Изменения скорости объясня-

ются возмущением движения звезды под действием гравитаци-

онно связанного с ней тела, размеры которого много меньше,

чем у звезды. Таким образом можно сделать вывод о наличии у

ряда звезд планетных спутников с массой, большей чем у Юпи-

тера. В этом случае, по аналогии с Солнечной системой, можно

с большой вероятностью говорить о наличии у этих звезд более

мелких планет.

278

К сожалению, о механизме образования планет, как и об об-

разовании Солнечной системы, также нет общепризнанных за-

ключений. Вообще сегодня мы больше знаем о происхождении

и эволюции звезд, чем о происхождении собственной планетной

системы, что неудивительно: звезд много, а достоверно извест-

ная нам планетная система — одна. О более ранних космогони-

ческих гипотезах уже говорилось выше. На протяжении XX в.

выдвигался целый ряд противоречащих друг другу

концепций.

Это связано с тем, что накопление информации о Солнечной

системе еще далеко до завершения. Сегодня мы видим ее со-

вершенно иначе, чем даже тридцать лет назад. И нет гарантии,

что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевер-

нут все наши представления об эволюции Солнечной системы.

Однако достоверно известно, что наша Солнечная система

образовалась примерно 5 млрд лет назад, причем Солнце

т-

звез-

ла второго (или еще более позднего) поколения. Это означает,

что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности

звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых

облаках.

Дальнейший ход событий изложен в целом ряде гипотез,

среди которых наибольшей популярностью пользуется гипотеза

шведских астрономов X.

Альвена

и Г.

Аррениуса.

Они исходили

из предположения, что в природе существует единый механизм

планетообразования, действие которого объясняется совокупно-

стью различных сил (гравитацией, магнитогидродинамикой, элек-

тромагнетизмом,

плазменными процессами) и проявляется и в

случае образования планет около звезды, и в случае появления

планет-спутников.

Альвен

и Аррениус отказались от традиционного допущения

об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в

одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из га-

юпылевого

облака возникло первичное тело — звезда, а затем к

нему из другого газопылевого облака, через которое по своей

орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования

вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образо-

вываться планеты, центральное тело системы уже существовало.

Для такого утверждения есть достаточные основания. После

обобщения результатов многолетних исследований вещества ме-

теоритов, Солнца и Земли были обнаружены отклонения в изо-

топном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и

земных породах, от изотопного состава тех же элементов на

Солнце, что свидетельствует об их различном происхождении.

279

Отсюда следует, что основная масса вещества

Солнечной

сисц

мы поступила из одного газопылевого облака и из него образов

лось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не

прев*

Iмающая

0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом п

ступила из другого газопылевого облака, и она послужила

ма!

риалом для формирования планет и метеоритов. Если бы мая

этого облака была больше, оно аккумулировалось бы не в

сие!

му планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную систему, звезда должна

облади

рядом признаков:

• мощным магнитным полем, величина которого превышав

определенное критическое значение;

• пространство в окрестностях звезды должно быть

заполно

но разреженной плазмой, создающей солнечный ветер.

Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы

слу

жит корона молодого Солнца. Сегодня она

меньше,

чем

раньше*

Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий, Венера,

Зем

ля, Марс) практически погружены в разреженную атмосфер

Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более

дало

ким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца рас

пространялась до современной орбиты Плутона.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным

магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние,

но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала

гигантска)

сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную

плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца

вырьгвалис!

протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в

сотн

миллионов километров и достигали орбиты современного Плуто-

на. Сила тока в них достигала нескольких сотен миллионов амп

и больше, что способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы.

В этих каналах возникали разрывы, пробои, откуда разбегались

мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следова-

ния. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и не-

равномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газо-

пылевое облако, мощное гравитационное поле звезды начало

притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших ма-

териалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внеш-

него резервуара нейтральные частицы вещества под действием

гравитации падали к центральному телу, но при этом они попа-

дали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались и в зависи-

мости от химического состава тормозились на разных расстояни-

280

ях

от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела

место дифференциация допланетного облака по химическому и

весовому составу. В конечном счете выделились три-четыре кон-

центрические области, плотности частиц в которых примерно на

? порядков превышали их плотности в промежутках.

Этим

объяс-

няется тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, ко-

торые при относительно малых размерах имеют высокую

плот-

ность

(от-

3 до 5,5 г/см

), а планеты-гиганты имеют намного

меньшие плотности

(1—2

г/см

Существование критической скорости, по достижению кото-

рой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разреженной

плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабораторными

.жепериментами.

Оценочные расчеты показывают, что подобный

механизм способен обеспечить накопление необходимого для об-

разования планет вещества за сравнительно короткое время

(по-

рядка ста миллионов лет).

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещест-

ва, начинает отставать в своем вращении от вращения центрально-

го тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны

заставляет плазму вращаться быстрее. Но это происходит за счет

замедления вращения центрального тела. Ускорение плазмы уве-

личивает центробежные силы, оттесняя их от звезды. Между цен-

тральным телом и плазмой образуется область очень низкой плот-

ности вещества. Создается благоприятная обстановка для конден-

сации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде

отдельных зерен. Зерна получают от плазмы импульс и, двигаясь

но

орбитам будущих планет, уносят с собой часть момента количе-

ства движения в Солнечной системе. Сегодня на

долю

планет,

суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей сис-

темы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Выпавшие зерна, захватив часть момента количества движе-

ния,

следуют по пересекающимся эллиптическим орбитам. Мно-

жественные столкновения между зернами приводят к их объеди-

нению в большие группы и превращению их орбит почти в кру-

говые, лежащие в плоскости эклиптики. В конце концов частицы

собираются в струйный поток, имеющий форму тороида (коль-

ца), захватывающий все частицы, которые с ним сталкиваются, и

уравнивающий их скорость со своей. Затем эти зерна слипаются

в зародышевые ядра, к ним продолжают притягиваться частицы,

и постепенно они разрастаются до крупных тел —

планетезима-

лий.

Взаимное объединение последних образует планеты. А как

только планетные тела оформляются настолько, что возле них

281

появляется достаточно сильное собственное магнитное

поле;

начинается процесс образования спутников, в миниатюре

по!

вторяюший

то, что произошло при образовании

самих

лланя

около Солнца.

Так, в этой теории, пояс астероидов — это струйный поток, %

котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс

планетообрай

зоваиия

прервался на стадии

планетезималий.

Кольца у

крупны*

планет — это остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком

близко к первичному ядру и попавшие внутрь так

называемой!

предела

Роша,

где гравитационные силы «хозяина» так велики,

чя

не позволяют образоваться устойчивому вторичному телу.

Метеориты и кометы, согласно данной модели,

формировав

лись на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В от*

даленньгх

от Солнца областях существовала слабая плазма. В

ней

механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки

в которых рождаются планеты, образоваться уже не могли.

Сли!

панне

выпавших там частиц привело к единственно

возможному

результату — образованию кометных тел.

Сегодня уже есть уникальные сведения, подтверждающие дан-

ную теорию. Они получены с помощью американских спутников

«Вояджеров» при исследовании Юпитера, Сатурна и Урана. По-

этому мы можем уверенно говорить о наличии общих

характерных

особенностей как у этих далеких планет, так и у Солнечной

систем

мы в целом:

• выявлена закономерность в распределении вещества по хи-

мическому составу: максимум концентрации летучих ве-

ществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное

те

ло и на периферийную часть системы. На некотором удале-

нии от центрального тела располагается минимум летучих

веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен

са

мыми плотными планетами земной группы;

• во всех случаях на долю первичного тела приходится более

98% общей массы системы;

• имеются наглядные признаки, указывающие на повсеме-

стное образование планетных тел путем аккреции — сли-

пания частиц во все более крупные тела, вплоть до оконча-

тельного оформления в планету (спутник).

Итак, эволюция Вселенной привела к образованию планет, а

на отдельных из них могли появиться жизнь и разум. Происходит

это

местах нахождения разнообразных химических элементов,

где протекают процессы их объединения в молекулы, сложность

которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину,

282

заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает

достаточно хорошо. В основе этих процессов — химические си-

пы,

за которыми скрывается одна из фундаментальных сил при-

роды — электромагнитное взаимодействие. Процессы соедине-

ния атомов в молекулы широко распространены во Вселенной.

В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала,

тем не менее обнаруживаются молекулы водорода. Там же встре-

чаются мельчайшие пылинки, в их основе — кристаллики льда

или углерода с примесью гидратов различных соединений. Мо-

лекулярный водород вместе с гелием образует газопылевые об-

лака. Но самое интересное, с чем столкнулись исследователи, —

это присутствие в космосе неожиданно большого разнообразия

органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы

аминокислот. Подсчитано, что в межзвездных облаках существует

более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что

органические молекулы находятся во внешних оболочках неко-

торых не очень горячих звезд и в образованиях, температура ко-

горых незначительно отличается от температуры абсолютного

нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, —

распространенное и вполне обыденное явление в космосе. Прав-

да, наука пока не может с уверенностью объяснить конкретные

пути протекания такого синтеза.

В связи с этим возникает вопрос, способно ли усложнение ве-

щества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвезд-

ной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря,

возможна ли там жизнь? Существует ли жизнь на других планетах,

тозникших у далеких от нас звезд? Эта тема неоднократно

обыг-

рывалась в научно-фантастических произведениях, но современная

наука не позволяет дать

на

этот вопрос ни положительного, ни

отрицательного ответа. Пока мы знаем только один вариант жизни

в космосе — на Земле, хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Все-

ленной, волнует не только ученых, но и обычных людей.

12.5. Проблема существования

и поиска внеземных цивилизаций

Представления о том, что Вселенная обитаема, были широко

распространены в древности. Так, античные философы Анакса-

гор, Демокрит, Лукреций Кар считали, что, поскольку Космос

образован из одной субстанции (например, из атомов) и подчи-

няется единому закону — Логосу, то в разных частях Космоса,

как и на Земле, должна возникать жизнь. Позже аналогичные

283

аргументы использовал Д. Ьруно, выдвигая свою идею о

множе-в

ственности

миров. Но до XX в. вопрос о возможности жизни

на!

других планетах звучал настолько фантастично, что серьезными

учеными практически не обсуждался. Лишь в XX в. о

распроЯ

страненности

жизни и разума во Вселенной заговорили

всерьез!

и это были не умозрительные рассуждения, а подкрепленные

точными расчетами выводы.

Особенно актуально вопрос о поиске внеземных цивилизаций

-М

общества разумных существ, которые могут возникать и существ

вовать вне Земли, встал во второй половине XX в. в связи с вы-

ходом человека в космос. Стала очевидной

принципиальная

возможность космических полетов не только внутри

Солнечной

системы, но и за ее пределы. На этом основании заговорили не

только о полетах человека в космос, но и о возможном

посеще-1

нии нашей планеты представителями других цивилизаций.

СлеЧ

ды этих посещений являются предметом поиска многих

энту-|

зиастов от науки.

Основные **

а волне этого

энтузиазма в

60-х

годах XX в.

направления появились первые международные

програм-*

поиска внеземных

МЬ|

' ставящие своей целью поиск и

контакт*

цивилизаций

внеземными цивилизациями —

5ЕТ1

(по-|

иск внеземных цивилизаций) и

СЕТ1

(связьЛ

с внеземными цивилизациями). А в 1982 г.

Международный!

астрономический союз организовал специальную комиссию

поя

этой проблеме. Основными методами работы данной

комиссии!

стали поиск радиосигналов от других цивилизаций и отправка I

собственных сообщений.

Эти исследования в основном ведутся на волне длиной в 21

см

так как считается, что она должна быть известна всем

дивили-*]

зациям как излучение нейтрального межзвездного водорода. На '

этой длине волны ученые всего мира ведут исследование распре- ^

деления водорода в Галактике и других галактиках. Поэтому,

ее-

ли сигнал будет послан на этой волне, велика вероятность его!

обнаружения.

Еще одним направлением поиска внеземных цивилизаций стал

поиск следов их астроинженерной деятельности. Долгое время

среди ученых господствовала идея о том, что высокоразвитые

цивилизации должны располагать практически неограниченными

источниками энергии, распоряжаясь полностью не только энер-

гией своего солнца, но и энергией в масштабах всей своей галак-

тики. Поэтому следы деятельности таких цивилизаций должны

быть хорошо заметны. Ведь они могут делать все, что не запре-

284

щено

законами природы, создавать гигантские «эфирные горо-

да»,

сферы Дайсона, перерабатывая при этом планетное вещест-

во и сооружая сферу вокруг своего солнца, чтобы не терять энер-

гии его излучения. Считалось, что они могут перемещать плане-

ты, звезды, взрывать ненужные звезды и зажигать новые.

Поиск следов пребывания представителей внеземных цивили-

щшй

на Земле — еще одно Направление их поиска. Предполага-

лось, что в нашей Галактике должно быть большое число старых

цивилизаций, начавших свое развитие за несколько миллиардов

лет до появления жизни на Земле. Поэтому считалось, что Земля

могла неоднократно посещаться представителями этих цивилиза-

ций в прошлом. Поэтому достаточно активно велись поиски сле-

.108

таких посещений, а также их возможного влияния на разви-

тие земных цивилизаций.

И наконец, ученых не оставляла надежда на возможный при-

лет представителей внеземных цивилизаций в наше время.

Но первоначальный энтузиазм довольно быстро угас, так как

несмотря на то что поиски сигналов велись тщательно и систе-

матически, результатов они не дали. Надежды на то, что мы жи-

вем в окружении развитых цивилизаций, постоянно обмени-

вающихся сигналами между собой, не оправдались. Идея «Вели-

кого Кольца» цивилизаций, выдвинутая И. А. Ефремовым в его

знаменитом

романе «Туманность Андромеды», не нашла своего

подтверждения. Поэтому к началу 80-х годов многие ученые сде-

лали неутешительный вывод: космос пуст, он молчит.

Допускавшаяся возможность межзвездных перелетов с точки

прения

современной науки также весьма сомнительна, так как

мощность необходимых для этого космических кораблей должна

быть слишком большой, превышающей излучение Солнца.

Не оправдались надежды на поиски следов палеоконтактов.

Аргументы популярного в 70-е годы Э. Дэникена, создавшего кни-

гу и фильм «Воспоминания о будущем», при ближайшем рассмот-

рении оказались надуманными. Его поиск пришельцев в житиях

святых, рассказывающих о вознесении святых на небо, рассужде-

ния о невозможности строительства египетских пирамид, идолов

острова Пасхи только земными силами, являются мистификацией.

Они находятся в одном ряду с утверждением, что Тунгусский ме-

теорит был космическим кораблем пришельцев, потерпевшим ка-

тастрофу при спуске на Землю.

Отрицает современная наука и. возможность доступа внезем-

ных цивилизаций к неограниченным энергетическим ресурсам.

Сегодня считается, что непрерывное производство энергии в сре-

285