Новоженов В.А. Концепции современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
102
Межзвездное пространство тоже не пусто. Оно заполнено
газовыми и пылевыми частицами, которые в некоторых местах
образуют гигантские облака – туманности, светлые и темные.
Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг ее
центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью –
около 250 километров в сек унду – несется в мировом
пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты.
Солнечная система совершает один полный оборот вокруг
галактического центра за 180 миллионов лет.
Ближайшие к нашей Галактике звездные системы удалены
от нас на расстояние около 150 тыс яч световых лет. Они видны
на небе Южного полушария как маленькие туманные пятнышки.
Впервые эти внегалактические туманности были подробно
описаны спутником и биографом Магеллана Пигафеттой во
время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в
историю науки под названием Магеллановых облаков –
Большого и Малого.
Научные исследования последних лет, в частности
радиоастрономические, показали, что Магеллановы облака –
это своеобразные спутники нашей Галактики: они обращаются
вместе с не й вокруг общего центра. А поскольку в этой «тройной
системе» наша Галактика по своей массе наибольшая, то
Магеллановы облака можно считать ее спутниками.
На расстоянии около 2 миллионов световых лет от нас
находится хорошо известная теперь многим туманность
Андромеды. По своему строению она напоминает нашу
Галактику, но значительно превосходит ее своими размерами.
По-видимому, это одна из самых больших галактик в нашей
области Вселенной. Туманность Андромеды можно наблюдать
даже в обычный бинокль, а при благоприятных условиях – и
невооруженным глазом. Но то, что мы видим, лишь центральная
часть туманности: действительные ее размеры гораздо больше
видимой части. Подобно нашей Галактике, галактика
Андромеды имеет спутников – две эллиптические туманности,
состоящие из огромного количества звезд.
Туманность Андромеды вместе с нашей Галактикой и
другими соседними звездными системами образует так
называемую Местную систему галактик. В ее состав входит
16 галактик, а поперечник ее равен 2 миллионам световых лет.
Исследования показывают, что звездные острова, галактики –
103
типичные объекты Вселенной. Астрономам теперь известно
великое множество галактик во всех участках небесной сферы.
Галактики имеют разнообразную форму и строение. Есть
галактики шаровые и эллиптические, галактики в форме диска,
спиралевидные, подобно нашей, наконец, галактики
неправильной формы. В «наблюдаемой Вселенной», т.е. в
области, доступной современны м средствам астрономических
исследований, насчитываются миллиарды галактик. Их
совокупность ученые назвали Метагалактикой.
Картина Вселенной, которую мы нарисовали на основе
современных астрономических данных, несколько напоминает
моментальную фотографию, на которой запечатлено взаимное
расположение различных космических объектов. Но Вселенная –
это вовсе не простая совокупность небесных тел, в ней
постоянно происходят чрезвычайно сложные и многообразные
физические процессы.
И именно с этой точки зрения изучение Вселенной
представляет наибольший интерес для современного
естествознания. Космос – бесконечно разнообразная
лаборатория, где можно изучать такие состояния материи, такие
физические условия и процессы, которые недостижимы у нас на
Земле.
Стремительный прогресс науки и техники в период научно-
технической революции, современниками которой мы являемся,
ведет ко все новым и новым открытиям, все более глубокому
проникновению в самые сокровенные тайны природы,
дальнейшему познанию фундаментальных законов мироздания.
И Вселенная в наше время становится все более важным
источником уникальной информации о явлениях природы.
Еще в первой четверти текущего столетия ученые
представляли себе Вселенную как нечто неизменное,
стационарное, не меняющее своих основных свойств. Однако в
1922 г. советский математик А.А. Фридман, решая уравнения
теории относительности А. Эйнштейна, пришел к выводу, что
материя в нашей области Вселенной должна либо расширяться,
либо сжиматься, либо пульсировать. Астрономы, в свою
очередь, обнаружили в спектрах излучения звездных островов –
галактик – «красное смещение» спектральных линий. Это
смещение тем сильнее, чем дальше находится от нас та или
иная галактика. Это смещение основано на «эффекте Доплера».
104
Суть эффекта Допплера состоит в том, что при удалении от
нас какого-либо источника излучения воспринимаемая нами
частота колебаний излучения должна уменьшаться, а длина
волны – соот ветственно увеличиваться. Когда же источник
излучения приближается, наблюдается обратное явление. Если
источник излучает свет, то при его удалении происходит
«покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более
длинных красных волн. А если он приближается, то будет
наблюдаться «фиолетовое смещение». Вполне естественно, что
ученые связали с этим эффектом Допплера и красное
смещение, которое они наблюдали в спектрах галактик.
При этом открылась совершенно необычная картина
движения гигантских космических объектов во Вселенной.
Получалось, что галактики разбегаются от нас во всех
направлениях, и, чем дальше находится та или иная галактика,
тем с большей скоростью она движется. Происходит общее
расширение Метагалактики, которое совершается таким
образом, что скорость взаимного удаления двух звездных
систем тем выше, чем больше расстояние между ними.
Итак, мы живем в расширяющейся Вселенной, и это
обстоятельство имеет важнейшее значение. Если бы галактики
не разбегались, а оставались неподвижными или сближались,
то плотность излучения в Метагалактике была бы столь высока,
что жизнь в этих условиях была бы совершенно невозможна.
Картину взаимного разбегания галактик можно мысленно
обернуть вспять, и тогда мы придем к выводу, что в отдаленном
прошлом, около 18 миллиардов лет назад, материя находилась
в ином состоянии, нежели в нашу эпоху. Тогда не было еще ни
звезд, ни планет, ни туманностей, ни галактик. Вся материя
была сосредоточена в очень плотном компактном сгустке
горячей плазмы – смеси элементарных частиц вещества и
излучения. Затем произошел взрыв этого сгустка и на чалось его
расширение, в процессе которого образовались сначала атомы,
а затем звезды, галактики и все другие космические объекты.
Так возникла теория расширяющейся Вселенной – одна из
наиболее впечатляющих научных теорий XX столетия.
Представления о неизменной стационарной Вселенной уступили
место новым представлениям о Вселенной, меняющейся с
течением времени. Это был новый, чрезвычайно важный шаг в
познании свойств окружающего нас мира. Дальнейшие
105
исследования показали, что различные нестационарные
явления вообще играют важную роль в современной Вселенной.
В 1946–1947 гг. академик В.А. Амбарцумян обнаружил
особые звездные скопления, получившие название звездных
ассоциаций. Это группы горячих голубых и белых звезд,
отличающиеся значительной неустойчивостью. Такие скопления
постепенно распадаются, а звезды, входящие в их состав,
довольно быстро перемешиваются с окруж ающими звездами
Галактики. Подсчеты показывают, что для полного распада
звездных ассоциаций достаточно 2–3 миллионов лет. Это
значит, что звезды, входящие в состав любой ассоциации, –
молодые звезды. Если бы они образовались, скажем, 6
миллионов лет назад, ассоциация давно бы распалась.
Следовательно, наблюдаемые нами сегодня звездные
ассоциации состоят из молодых звезд. Тем самым был
установлен фундаментальный факт – звезды могут возникать и
в нашу эпоху.
Дальнейшее изучение звездных ассоциаций помогло
обнаружить еще одно чрезвычайно интересное явление.
Оказалось, что звезды, входящие в состав этих скоплений,
обладают радиальными скоростями: они как бы «разбегаются»
от общего центра (или нескольких центров) во все стороны. Это
напоминает разброс осколков взорвавшегося тела.
В.А. Амбарцумян выдвинул смелую гипотезу: звезды в
ассоциациях возникают в результате распада на части
какого-то центрального сверхплотного тела – протозвезды.
Наблюдать протозвезду мы не можем, так как, будучи мощным
аккумулятором энергии, она свою энергию не излучает. Но когда
из дозвездной материи образуются звезды, сигналы их удается
зарегистрировать.
Вопрос о происхождении звезд и других космических
объектов чрезвычайно сложен, и гипотеза академика
Амбарцумяна о путях возникновения звезд и звездных систем не
единственная. Большой популярностью среди астрономов
пользуется представление о том, что звезды образуются в
результате сгущения, или конденсации, облаков космического
газа и пыли.
Какая из этих гипотез более справедлива – покажут
будущие исследования. Но важно отметить одно весьма
существенное обстоятельство: и гипотеза конденсации, и
106
гипотеза распада исходят из предположения о том, что звездная
форма материи образуется из объектов хотя и иной физической
природы, но также впо лне материальных. В одном случае это
рассеянные газ и пыль, в другом – сверхплотные сгустки
дозвездного вещества.
Если идея академика Амбарцумяна о дозвездной материи
пока носит гипотетический характер, то обнаруженную им
нестационарность космических объектов и их систем можно
считать доказанной. В частности, изучение многочисленных
скоплений галактик показало, что неустойчивые системы есть и
в мире галактик. Эти скопления, подобно звездным
ассоциациям, находятся в состоянии быстрого расширения и
распада. Создается впечатление, что в нашу эпоху не только
звезды, но и, по-видимому, галактики образуются из сгустков
дозвездной материи.
Несколько лет назад в результате радиоастрономических
наблюдений было обнаружено, что из ядра нашей Галактики
происходит непрерывное истечение водорода. За год
выбрасывается масса водорода, примерно в полтора раза
превосходящая массу Солнца. Но наша Галактика существует
около 15–17 миллиардов лет. Значит, за это время из ее ядра
было выброшено 25 миллиардов солнечных масс. И есть
основания предполагать, что в ту эпоху, когда наша Галактика
была молода и богата энергией, этот процесс шел гораздо
более бурно.
На подобную мысль наводят явления , наблюдаемые в
ядрах некоторых других галактик.
Так, в 1963 г. американский астрофизик А. Сэндедж
завершил работу по изучению движения газа в сравнительно
близкой к нам галактике М-82. Ученый пришел к выводу:
характер этого движения указывает на то, что прибл изительно
полтора миллиона лет назад из ядра галактики М-82 произошел
выброс газовых масс, в миллион с лишним раз превосходящих
массу Со лнца. Согласно подсчетам, этот взрыв был
эквивалентен взрыву термоядерного заряда с массой, равной
массе 15 тыс яч солнц.
Многочисленные факты такого рода не оставляют сомнений
в том, что ядра галактик играют чрезвычайно важную роль в
развитии звездных систем и их составных частей. Не
исключена возможность, что они являются своеобразными
107
центрами формирования космических тел. Вероятно, здесь
происходит переход материи из одной формы в другую. Но
такие переходы должны сопровождаться преобразованиями
огромных количеств энергии. Поэтому можно предположить, что
галактические ядра –могучие аккумуляторы энергии, способные
выделять ее при определенных условиях. Весьма вероятно, что
в этом случае мы столкнулись с еще неизвестным науке видом
энергии, изучение которого в дальнейшем сможет пролить свет
на «скрытые пружины» многих космических процессов.
В частности, активные процессы, происходящие в ядрах
некоторых галактик, видимо, являются основными
поставщиками энергии, обеспечивающей интенсивное
радиоизлучение многих звездных островов.
Нельзя не сказать еще об одном знаменательном открытии
в космосе. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей
Галактики, на границах наблюдаемой Вселенной, были
обнаружены удивительные объекты, получившие впоследствии
название квазаров. При сравнительно небольших размерах
(поперечники их составляют около нескольких световых недель
или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию,
примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых
гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов
звезд.
К числу необычных объектов Вселенной относятся и так
называемые пульсары – источники периодических
радиоимпульсов, следующих друг за другом со строгой
периодичностью, которая может соперничать со специально
созданными в лабораториях атомными и молекулярными
эталонами времени. Какова природа пульсара? В ответе на этот
вопрос пока нет единого мнения. Часть ученых склоняется к
мысли, что источником «пульсирования», вероятнее всего,
являются вращающиеся нейтронные звезды.
До недавнего времени астрономы считали, что окружающая
нас Вселенная населена звездами, туманностями и планетами.
Предполагалось, что именно из этих объектов состоит каждая
галактика. Однако в последнее время в ходе астрономических
наблюдений мы столкнулись с явлениями совершенно нового
типа – квазарами и ядрами галактик. Таким образом, впервые за
3 тысячи лет астрономы начали исследовать принципиально
новые объекты, и не исключена возможность, что эти
108
исследования могут привести к открытию новых физических
законов.
Каково же место необычных объектов Вселенной в ряду
других космических объектов и явлений? Что это –
своеобразные исключения или закономерные этапы развития
материи?
Сравним две галактики. Одна – спиральная – излучает
энергию главным образом в виде световых лучей, другая –
неправильной формы и с очень мощным радиоизлучением.
Существует ли между ними какая-либо родственная связь?
Тщательное сопоставление радиогалактик с обычными
показало, что по своему строению и оптическим свойствам они
не представляют собой ничего исключительного. Для любой
радиогалактики можно найти похожую на нее «нормальную»
галактику, которая отличается только отсутствием
радиоизлучения. Это, видимо, говорит о том, что способность
излучать мощные потоки радиоволн возникает лишь на
некоторой стадии эволюции галактик того или иного типа.
Следовательно, интенсивное радиоизлучение – своеобразное
«возрастное» явление, которое характерно только для
определенного этапа в развитии звездных систем.
Еще сравнительно недавно в астрономии господствовали
эволюционные представления, которые являлись прямым
продолжением идей классической физики. Развитие
рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода
от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что
звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно
накапливается в виде гигантских туманностей. Т уманности
снова сгущаются в звезды и т.д. Однако новые объекты
свидетельствуют о том, что существенное значение для
развития материи в наблюдаемой области Вселенной, видимо,
имеют нестационарные, в частности взрывные, процессы.
Можно предполагать, что нестационарные яв ления
представляют собой своеобразные «поворотные пункты» в
развитии космических объектов, где совершаются переходы
материи из одного качественного состояния в другое, возникают
новые небесные тела.
В какой же связи находятся нестационарные, в частности
взрывные, процессы с расширением Метагалактики?
109
Согласно гипотезе В.А. Амбарцумяна, которая находит все
больше подтверждений в астрономических наблюдениях, не
исключена возможность, что исходным пунктом развития
космических объектов являются изолированные
сверхмассивные компактные дозвездные тела. Они в
определенные моменты своей эволюции переходят в активное
состояние и испускают огромные количества энергии. Весьма
вероятно, что эти гипотетические дозвездные тела
представляют собой сг устки первоначального сверхплотного
вещества Метагалактики, которые по тем или иным причинам на
протяжении определенного времени находились в устойчивом
состоянии.
Разумеется, вопрос о возникновении различных
космических объектов и физической природе нестационарных
явлений в космосе еще окончательно не решен. Над решением
его астрономам придется еще немало поработать. В частности,
одна из самых животрепещущих проблем современной физики и
астрофизики состоит в том, чтобы выяснить природу дозвездной
материи (если она существует), а также установить, в каком
физическом состоянии находилось вещество до начала
расширения Метагалактики.
Несмотря на это, уже сейчас ясно, что и первоначальный
плазменный сгусток, и то, из чего он образовался, были
особыми формами существования материи. Некоторые ученые
считают, что первоначальный сгусток возник из вакуума. Вакуум,
который физика XIX столетия считала пустотой, в
действительности представляет собой своеобразную форму
материи, способную при определенных условиях «рождать»
вещественные частицы без нарушения закона сохранения
материи и движения.
И еще один очень интересный вопрос, связанный с
изучением Вселенной, – геометрические свойства
пространства, его конечность или бесконечность. Эту
проблему пытались решить еще великие философы древности.
Они исходили, казалось бы, из сравнительно простых и на
первый взгляд неопровержимых логических соображений.
Представим себе, говорили они, что у Вселенной есть край,
и человек достиг этого края. Однако стоит ему только вытянуть
руку, и она окажется за границей Вселенной. Тем самым рамки
мира раздвигаются еще на некоторое расстояние. Тогда можно
110
будет приблизиться к новой границе и повторить ту же операцию
еще раз. И так без конца. Значит, Вселенная не может иметь
границ. «Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной,
ибо иначе края не пременно она бы имела»,– писал римский
философ-материалист Лукреций Кар (I в. до н.э.) в своей поэме
«О природе вещей».
И действительно, если необычайно трудно, почти
невозможно представить себе пространство, которое в любом
направлении простирается безгранично, то еще труднее
представить себе обратное – что у Вселенной где-то существует
край, есть предел, граница. Ведь в таком случае действительно
возникает вполне естественный вопрос: а что находится
дальше?
Однако весь опыт познания природы убедительно
доказывает, что «наглядность» – весьма ненадежный советчик
при решении научных вопросов. На протяжени и истории науки
представления о геометрических свойствах пространства
менялись не раз. Аристотель и Птолемей ограничивали
Вселенную «сферой неподвижных звезд», классическая физика
Ньютона, наоборот, приходила к выводу о бесконечности
Вселенной. И лишь с возникновением теории относительности
А. Эйнштейна появилась возможность более гл убоко
разобраться в существе этой проблемы. Если физика Ньютона
рассматривала пространство как простое вместилище небесных
тел, то Л. Эйнштейну удалось вскрыть тесную связь между
геометрией пространства и материей.
...Рассказывают, что однажды какой-то газетный репортер
обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть теории
относительности в одной фразе и притом таким образом, чтобы
это было понятно широкой публике. Подумав несколько секунд,
ученый ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной
исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы;
теория относительност и утверждает, что вместе с материей
исчезли бы также пространство и время».
Любое тело не просто находится в пространстве, но
определяет его геометрические свойства. Вблизи тел
пространство искривляется. Благодаря этому лучи света
распространяются во Вселенной не по прямым, а по изогнутым
линиям. В повседневной жизни такую особенность мы
практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится
111
иметь дело со сравни тельно небольшими расстояниями. Однако
при космических масштабах искривленность пространства
приобретает существенное значение.
Таким образом, пространство, в котором мы живем,
искривлено. А в иск ри вленном мире «неограниченность» и
«бесконечность» – не одно и то же. Оказывается,
неограниченное пространство, т.е. пространство, не имеющее
«края», границы, в то же время может быть конечным, как бы
замкнутым в себе. В качестве примера можно привести
поверхность шара. Площадь этой поверхнос ти всегда имеет
конечную величину. В то же время, продвигаясь по ней, мы
никогда не достигнем ее границы. Следовательно, она
неограниченна.
Таким образом, в принципе возможен случай, когда
пространство неограниченно (т.е. не имеет предела, границы) и
в то же время конечно (т.е. объем его выражается конечным
числом).
Что касается пространства Вселенной, то его
неограниченн ость не вызывает сомнения. Мир – это материя, а
материя не может иметь границ в том смысле, что за
материальным миром может располагаться нечто
нематериальное. И это, разумеется, принципиальный
философский вопрос – вопрос о материальном единстве мира.
А если говорить о бесконечности или конечности той области
материального мира, в которой мы живем, – Метагалактики
(астрономы часто называют ее «наблюдаемой», или
«астрономической» Вселенной), то в этом случае проблема
бесконечности приобретает уже не философский, а чисто
естественно-научный характер.
Изучая Вселенную, астрономы на основе данных
наблюдений строят все более сложные и все более точные
модели, способные описать и объяснить все большее число
космических явлений. Однако любая такая теоретическая
модель – это не сама Вселенная, а только ее приближенное
описание, которое по мере развития науки становится все более
глубоким и все более близким к реальной действительности.
Современные средства астрономических наблюдений –
мощные телескопы и радиотелескопы – охватывают огромную
область пространства радиусом около 12 миллиардов световых
лет. Как мы уже отмечали, до одной из ближайших к нам