Вселенная, солнечная система, земля в современной естественно-научной картине мира

Вариант 3 (окончание номера на 5 и 6).

Вселенная, Солнечная система, Земля

в современной  естественно-научной картине мира.

1.                  Космос и космологические концепции в естествознании. Различные (традиционные и нетрадиционные) подходы к решению космологических проблем.

2.                  Эволюция Вселенной (Метагалактики) в современной НКМ.

3.                  Космогонические представления об эволюции звезд и планет.

4.                  Роль космологических знаний в мировоззрении и практике человечества.

Когда обсуждают учение о Вселенной в целом, то его назы­вают космологией, учением о космосе, где под космосом пони­мают весь мир, окружающий планету Земля. Желая подчеркнуть единство, общность астрономических явлений, используют тер­мин «Вселенная». На большинство европейских языков «Вселен­ная» переводится как «универсум» (от лат. ипшегзаИз — общее). Вселенная — доступная нам часть космоса.

Непременно следует отметить одну весьма существенную осо­бенность развития науки — рост ее концептуальной силы, что приводит к расширению ареала объясняемых явлений. Именно вследствие этого довольно неожиданно выяснилось, что теории элементарных частиц имеют космологическое значение. Как оказалось, в концептуальном отношении микро- и мегаявления схожи. Идея о единстве микро- и мегаявлений формулировалась

113

мудрецами древности, например древнегреческими атомиста­ми. Научное содержание этой идеи было мизерным. Лишь в по­следние полстолетия она приобрела должный научный вес и прежде всего благодаря выработке теории единства четырех ти­пов взаимодействий.

114

•  Вселенная — доступная нам часть космоса.

•  Для осмысления Вселенной нужна теория.

•              Многие физические теории, в том числе и квантовая тео­
рия поля, имеют не только физическое, но и космологическое
значение.

•              Человек — существо космическое. Ему нужна космология,
среди прочего для того, чтобы понять самого себя, свое проис­
хождение и будущее.

•              Люди, не владеющие космологией, интерпретируют содер­
жание космических явлений исходя из эрзац-теорий.

15. Основные космологические факты

Всякая теория, в том числе и космологическая, позволяет дать истолкование определенной совокупности фактов. Ниже рассматриваются основополагающие космологические факты, которые имели решающее значение в построении научной кос­мологии.

Расширение Вселенной. Первым ученым, который обнару­жил силы космической значимости, был И. Ньютон, первооткры­ватель закона всемирного тяготения. Ньютон, обладавший не­заурядной научной интуицией, прекрасно понимал, что так как тела притягиваются друг к другу, то в их скоплении неминуе­мо развивается гравитационная неустойчивость. Следовательно, если предположить, что космическое вещество первоначально бы­ло равномерно распределено по всему бесконечному космическо­му пространству, то различные его части сгущались бы, образуя Солнце и, как он считал, неподвижные звезды, а также плане­ты; светимость звезд он объяснял ссылкой на Творца [24, с. 33-34]. Воззрения Ньютона относятся к 1692 г. Позднее они неоднократно воспроизводились, например философом И. Кан­том (1775 г.) и математиком П. Лапласом (1796), но дело огра­ничивалось пранаучными, сугубо гипотетическими рассужде­ниями.

Создатель релятивистской теории тяготения (общей теории относительности) А.Эйнштейн также не упустил возможность по­строения космологической, причем стационарной модели мира (1917). Он разделял убеждение Ньютона, что звезды по отноше­нию друг к другу находятся в стационарном положении. Но объ-

115

яснить такое положение звезд одними силами тяготения за­труднительно. Поэтому Эйнштейн ввел в уравнение общей тео­рии относительности специальный член — лямбду (X), который должен был в математической форме отобразить наличие сил от­талкивания неведомой природы. Прием, использованный Эйн­штейном, в науке называется ад, Нос (ад хок), что в переводе с ла­тинского означает «для данного случая». К приему ад Ьос ученые относятся весьма критически — плоха та теория, которую при­ходится приспосабливать к тому или иному конкретному случаю. Эйнштейн использовал прием ас! Ьос за неимением лучшего. Вскоре ему представилась возможность отказаться от него.

Наш отечественный ученый А.А.Фридман, изучая уравнения общей теории относительности Эйнштейна (1922—1924), показал, что они приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной, в зависимости от плотности вещества в ней она либо расширя­ется, либо сжимается. Фридман рассуждал явно в несколько иной манере, чем Эйнштейн, который хотел объяснить наблюдаемую, как он полагал, стационарность Вселенной. Эйнштейн считал, что для этой цели изобретенные им уравнения недостаточны, значит их следует модифицировать введением лямбда-члена. Фридман полностью доверяет Эйнштейну и не считает нужным как-то изменять уравнения этой теории. Что действительно име­ет место, следует установить именно на основе теории. Но может быть это не так, и ученые кажущееся принимают за действитель­ное. Интересно, что Эйнштейн после недолгих колебаний реши­тельно переходит на позиции Фридмана. Разумеется, такой шаг со стороны Эйнштейна был сделан не случайно. Ведь именно он всегда подчеркивал, что факты надо объяснять теоретически. Из­вестно, что Эйнштейн болезненно переживал свой теоретический промах.

Как бы то ни было, выводы Фридмана предстояло проверить убедительными экспериментальными данными. В этой связи решающее значение имело открытие американского астронома Э. Хаббла, который обнаружил факт разлета скоплений звезд, галактик (1929).

'Хаббл установил, что чем дальше от нас та или иная галак­тика, тем приходящее от нее электромагнитное излучение силь­нее смещено к красному концу. Согласно эффекту Доплера, ес­ли источник света движется от нас, то частота воспринимаемых колебаний понижается, а если к нам, то повышается. Каждый знаком с аналогичным звуковым явлением: сигнал приближаю­щегося поезда пронзителен, а удаляющегося значительно менее

116

резкий. «Красное смещение» приходящих от галактик излуче­ний свидетельствовало о их удалении от Земли. Хаббл вывел со­отношение:

v = НЬ,

где v — скорость удаления галактики, I/ — расстояние до галак­тики, обычно измеряемое в парсеках (1 пк » 3,1 • 1016м), Н — по­стоянная Хаббла, равная по современным оценкам 75— 80 км/с • 10е пк. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она движется. Скорость некоторых галактик при­ближается по своей величине к скорости света.

Смысл постоянной Хаббла выясняется из следующего просто­го примера. Представим себе, что галактики не удаляются, а, на­оборот, сближаются друг с другом. Через какой промежуток времени произойдет их встреча? Место слияния галактик мож­но считать сингулярностью. Иначе говоря, мы желаем узнать воз­раст Вселенной, или время разлета галактик. Из закона Хаббла, следует, что

т.е. величина, обратная постоянной Хаббла, есть возраст Вселен­ной. Примем, что Я « 76 м/с • 106 пк, где 1 пк = 3,1 • 1016м. Про­стой расчет показывает, что в таком случае I * 13,5 млрд лет.

Несмотря на то, что в рассмотренном примере использовал­ся ряд грубых приближений, возраст Вселенной определен с до­статочной степенью точности. Согласно современным представ­лениям, возраст Вселенной составляет 12—15 млрд лет.

Возвращаясь к расширению Вселенной, отметим специально, что в ней отсутствует какой-либо центр «разбегания» галактик. Расширяется межгалактическая среда в целом. «Разбегаются» все галактики! С какой бы галактики не наблюдалась картина космического расширения, всякий раз она выглядит единообраз­но: чем дальше от места наблюдения находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется от этого места.

На разбегающиеся галактики определяющее влияние оказы­вают силы тяготения, т.е. силы притяжения. В состоянии ли они затормозить движение галактик? Подробные расчеты показыва­ют, что картина космического расширения определяется плот­ностью вещества во Вселенной. Критическая плотность вещест­ва во Вселенной ркр. « 10~29г/см3. Если бы плотность космического вещества была больше, чем ркр., то галактики за-

медлили бы свой ход и стали двигаться навстречу друг другу. Ви­димо, на этот счет отсутствуют четкие экспериментальные дан­ные.

Расширение Вселенной означает, что мы можем видеть лишь те объекты, излучения которых успевают дойти до нас. Возраст Вселенной составляет около 13 млрд лет. Следовательно, гори­зонт видимости расположен на расстоянии не большем, чем мо­жет пройти свет (электромагнитная волна) за 13 млрд (1,3 • 1010) лет.

Открытие расширения Вселенной выдвинуло на первый план проблемы ее механики. Какова причина расширения Вселенной, каков ее возраст?

Крупномасштабная однородность и изотропия Вселен­ной. Согласно данным наблюдений, Вселенная неоднородна в ма­лом, но однородна в большом. Если мысленно представить себе космические кубы, грани которых равны 3 • 108 пк, то в каждом из них будет приблизительно около 1000 скоплений галактик [28, с. 13]. В крупных масштабах Вселенная и однородна и изотроп­на (во всех направлениях ее свойства одни и те же).

Крупномасштабная однородность и изотропность Вселенной наводит на мысль, что в космосе везде реализуются одни и те же закономерности. Изучая свое ближайшее космическое окруже­ние, человек способен судить о самых далеких частях Вселенной. Разумеется, крупномасштабная однородность и изотропность Вселенной должны быть как-то объяснены. Почему именно Все­ленная однородна и изотропна?

Реликтовое излучение. Чтобы объяснить космическое рас­ширение, Дж.Гамов (эмигрировал из СССР в 1934 г.) предложил в 1948 г. модель Большого взрыва. Вселенная расширяется, мол, из некоего особого единичного состояния, которое называ­ют сингулярным (от англ. зт§и1агИу — оригинальность, свое­образие). Взрыв разметал все составляющие раннего космоса. Ко­смос вследствие своего быстрого расширения стал быстро остывать. По расчетам Гамова, в качестве следов от Большого взрыва должно остаться микроволновое излучение малой энер­гии, соответствующее излучению абсолютно черного тела| нагре­того всего лишь до 5 К (ок. —268 °С). Предложение Гамова дли­тельное время не принимали всерьез [26, с. 192], но затем все изменилось.

В начале 1965 г. американцы А.А.Пензиас и Р.В.Вилсон, обеспечивая связь со спутником «Эхо», изучали «радиошумы» Галактики. Неожиданно для себя они обнаружили приходящее

118

со всех сторон фоновое излучение, температура которого по со­временным оценкам равна ок. 2,7 К. Первооткрыватели упомя­нутого излучения ничего не знали о его космологической значи­мости [26, с. 194]. Но многие космологи, узнав о микроволновом фоновом излучении (И.С.Шкловский предложил его называть ре­ликтовым, т.е. остаточным от ранних эпох Вселенной), едва ли не в одночасье поняли, что сделано открытие фундаментальной значимости. Абсолютное большинство космологов убеждено, что наличие реликтового излучения свидетельствует в пользу моде­ли Большого взрыва, или горячей Вселенной.

Наличие реликтового излучения означает, что Большой взрыв произошел не в отдельной, избранной точке космоса (в против­ном случае оно не приходило бы на Землю со всех сторон). Большой взрыв характерен для всего изначального космоса.

Что должна объяснить теория? Она должна объяснить все, что относится к космосу. Например, наблюдаемую распространен­ность легких, равно как и любых других, элементов. Так, изве­стно, например, что в молодых звездах содержится около 30% гелия. Почему? Нуждаются в объяснении факты наличия звезд, планет, различных космических сред. Необходимо осмыслить светимость звезд, мощный энергетический поток, исходящий от ближайшей к нам звезды — Солнца. Хотелось бы понять, поче­му мир состоит из вещества, как оно произошло. Вопросов мно­го, не одна тысяча. Осмыслить их по одиночке не удается, все заканчивается короткими голословными утверждениями типа «мир так устроен», «такова воля Творца». Нужна Теория! Тео­рия, которая позволяла бы объяснить любой наблюдаемый факт, предсказать ход космических событий, стать инструментом в ос­мыслении человеком космических явлений и в обеспечении им своего настоящего и будущего.

Резюме

•              И.Ньютон хотел объяснить Вселенную исходя из изобретен­
ной им классической механики. Светимость звезд он объяснял
ссылкой на Творца.

•              А.Эйнштейн, исходя из общей теории относительности,
строил модель стационарной Вселенной.

•              А.А.Фридман после анализа уравнений общей теории отно­
сительности приходит к выводу, что Вселенная нестационарна.

•              Нестационарность Вселенной была обнаружена впервые не
практически, а выявлена теоретически.

119

•               Э. Хаббл установил факт разлета галактик эксперименталь­
ным путем.

•               Зная формулу Хаббла v = НЬ, можно рассчитать время раз­
лета галактик. Выходит, что Большой взрыв состоялся около
13,5 млрд лет тому назад. Проведенный расчет не является точ­
ным.

•               Вселенная не имеет центра, в противном случае реликто­
вое излучение не приходило бы к Земле со всех сторон.

•               Вселенная неоднородна в малом, но однородна в мегамас-
штабах, сравнимых с 3 • 108пк.

•               Реликтовое излучение согласуется с гипотезой Большого
взрыва.

16. Теория Вселенной

Размышляя над происхождением и устройством Вселенной, современные космологи исходят из концептуальных возможно­стей квантовой теории поля. Но при этом, как и обычно в науке, разумеется, не обходится без затруднений. Наибольшие сложно­сти связаны с осмыслением природы космической сингулярно­сти. Обойтись без нее не удается: любая модель расширяющей­ся Вселенной при экстраполяции ее назад во времени неизбежно приводит к представлению о сингулярности. Но что представля­ет собой сингулярность? Она, по мнению ученых, должна быть именно такой, чтобы вызванные ею процессы соответствовали действительной картине Вселенной.

В первоначальных моделях горячей Вселенной не удавалось объяснить происхождение скоплений галактик. Исходя из раз­личных моделей гравитационной неустойчивости, можно было объяснить происхождение отдельных звезд и планетных систем, но не скоплений галактик. В этой связи крепло убеждение, что происхождение гигантских космических образований, каковы­ми являются скопления галактик, а также отдельные галактики следует объяснять не процессами, случившимися после Большо­го взрыва, а присущими его изначальной природе. Эта идея стала руководящей в размышлениях американца А. Гута (1980).

Гут предложил модель раздувающейся, инфляционной (от лат. 1п[1аЫо — вздутие) Вселенной [25]. Суть гипотезы Гута со­стоит в том, что в квантовом вакууме в условиях чрезвычайно высокой энергии частиц последние создают сильное натяжение. Давление внутри вакуума не положительно, а направленно внутрь среды). Отрицательное давление приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталки­вания, такой вывод следует из теории Эйнштейна [28, с. 64—65]. Под действием гигантских сил отталкивания квантовый вакуум невообразимо быстро расширяется, приблизительно за 10~30 с его размеры увеличиваются в 1030 раз. Раздувание Вселенной про­исходит молниеносно. В результате расширения сам вакуум ох­лаждается, а заключенная в нем гигантская энергия выделяет­ся в виде излучения, температура которого примерно 1028 К. При такой сверхвысокой температуре привычные нам части­цы — кварки, лептоны и т.д.— не существуют. Для вакуума с от­рицательным давлением характерны квантовые флуктуации. И вот как раз они и являются начальными состояниями буду­щих галактик и их скоплений.

Итак, то, что красиво называют Большим взрывом, соглас­но современным научным представлениям есть не что иное, как длящееся невообразимо короткое мгновение (~10~30с) расшире­ние высокоэнергетического квантового вакуума. Паша Вселен­ная родилась быстро и не из ничего, а из вакуума особой при­роды, по поводу которого ведутся большие дискуссии. Несмотря на это, абсолютное большинство современных космологов явля­ются приверженцами модели раздувающейся Вселенной. Они по­лагают, что в пользу этой модели свидетельствуют ее многочис­ленные соответствия данным астрономических наблюдений. Такого рода соответствия никогда не считаются в науке чем-то несущественным.,

История нашей Вселенной — это преобразования, происхо­дящие с излучением, явившимся результатом расширения ваку­ума с отрицательным давлением. Излучение в результате свое­го расширения охлаждается, что приводит к возникновению («вымораживанию») элементарных частиц, вещества, атомов водорода, звезд и планет, равно как и всех других составляющих космического «зоопарка».

где Т — температура; I — время, с [28, с. 109]. Из приведенно­го выше соотношения следует, что при ^ = 1 с Т = 1010 К.

121

Развитие и охлаждение первоначального излучения Вселен­ной происходят очень быстро, в соответствии с приближенным соотношением

При такой температуре многие частицы аннигилируют, а нейт­рино и антинейтрино начинают вести себя как самостоятельные частицы. Примерная космологическая картина развития Вселен­ной представлена в табл. 8 [ср.: 23, с. 98—115; 26, с. 188; 14, с. 192-200].

Таблица 8. Эволюция Вселенной

Добавим к данным, приведенным в таблице, что первые звез­ды образовались спустя 10 млн лет после фазы инфляции. Что касается Солнца и Земли, то их возраст соответственно около 5,0 и 4,6 млрд лет, т.е. они представляют собой относительно моло­дые космические образования.

Резюме

• В космологических размышлениях наибольшие сложности связаны с осмыслением космической сингулярности.

122

•  В первоначальных моделях горячей Вселенной не удавалось
объяснить происхождение скоплений галактик (почему звезды
собираются в галактики?).

•  А.Гут предложил модель «раздувающейся» Вселенной.
Причиной взрыва явилось сильное натяжение частиц, из кото­
рых состоял протовакуум.

•  За появление галактик и их скоплений отвечают неоднород­
ности протовакуума.

•  Расширение космического излучения приводит к возникно­
вению («вымораживанию») элементарных частиц, вещества,
звезд, планет и других составляющих космического «зоопарка».

•  Современная космология позволяет представить эволюцию
Вселенной во времени, начальные мгновения которого отстоят
от начала Большого взрыва всего на 10~32 с (иногда заходит речь
о Ю-43 с).

17. Объяснение ряда космологических фактов

Модель «раздувающейся» Вселенной позволяет дать разум­ные ответы на ряд сложных вопросов, объяснить множество ко­смологических фактов.

Почему единообразно расширяются различные области Все­ленной? Потому что фазой инфляции был охвачен весь изначаль­ный, обладающий отрицательным давлением вакуум (протова­куум). Процессы во Вселенной происходят единообразно, ибо они имеют один и тот же источник.

Почему реликтовое излучение приходит на Землю со всех сторон, но не обладает одинаковой степенью интенсивности? Оно приходит со всех сторон в силу уже упоминавшейся единооб-разности происходящих в различных областях Вселенной процес­сов. Но необходимо иметь также в виду квантовые флуктуации протовакуума. Именно их различие приводит к неодинаковости галактик и к несовпадению интенсивностей потоков реликтово­го излучения, приходящих к Земле.

Каковы причины происхождения «зоопарка» известных нам элементарных частиц? Последние действительно имеют опре­деленную историю происхождения, которая связана с остывани­ем инфляционного излучения. Согласно квантовой теории поля, сам фактор существования частиц не является независимым феноменом. Изменение энергии частиц приводит к их преобра­зованию в другие квантовые объекты. Какие именно частицы су-

123

ществуют, зависит от энергии (температуры) излучения. При тех гигантских температурах (примерно 1028 К), которые имели место сразу же после окончания фазы инфляции протовакуума, известные нам элементарные частицы — кварки, лептоны и пр. — не могли существовать. Инфляционное излучение состо­яло из невоспроизводимых в современных лабораторных усло­виях частиц, их часто называют Х-частицами. В мире Х-частиц властвует симметрия, гигантские температуры нивелируют вся­кие различия. Лишь после реализации ряда механизмов спон­танного нарушения симметрии возникает разнообразие частиц, с которым имеет дело современный человек. Кварки и лептоны, из которых состоит вещество, возникают при температурах око­ло 1016 К. Такие температуры, а соотвествуют они возрасту Все­ленной 10~12 с, воспроизводятся в современных ускорителях элементарных частиц.

Почему вещество возобладало на$ антивеществом? Хоро­шо известно, что все частицы, за исключением истинно нейтраль­ных, обладают своими двойниками, взаимодействуя с которыми, они аннигилируют. В современном мире существует резкая асим­метрия между частицами и античастицами, веществом и анти­веществом. Почему? Разве инфляционное излучение не было в высшей степени симметричным, несовместимым с асимметри­ей частиц и античастиц? Чтобы найти разумные ответы на по­ставленные вопросы, необходимо обнаружить механизм наруше­ния симметрии между частицами и античастицами. По поводу природы этого механизма ведутся острые дискуссии. Но при этом спорящие стороны едины в том, что в нарушении симметрии ча­стиц и античастиц нет ничего особенно удивительного, ведь симметрия нарушается очень часто. Согласно господствующему мнению, на определенном этапе эволюции Вселенной симметрия между частицами и античастицами оказалась слабонарушенной и в результате после фазы бурной аннигиляции частиц как раз и возникла асимметрия между веществом и антивеществом. Вполне вероятно, что за упомянутую асимметрию ответственны слабые взаимодействия. Именно они, источники многих наруше­ний симметрии, «подозреваются» в первую очередь в качестве причины возобладания вещества над антивеществом.

Как образуются звезды? Энергия и масса Вселенной сосре­доточены в основном в звездах. Огромные скопления звезд на­зываются галактиками. Ближайшая к нам звезда Солнце входит в галактику Млечный путь, состоящий из 200 млрд (примерно 2-Ю11) звезд. Галактика в переводе с греческого как раз и оз-

124

начает млечное (молочное) образование. Млечный путь виден на звездном небе как неярко светящаяся полоса. Ближайшие к нам галактики — Магеллановы облака и Туманность Андромеды. Известно около 3000 скоплений галактик, каждое из которых со­стоит, как правило, примерно из десятка тысяч членов. Галак­тики содержат не только звезды, но и газовые и пылевые обла­ка, потоки элементарных частиц, планеты, астероиды и кометы. Но, бесспорно, главными энергетическими представителями Все­ленной являются звезды, которые, как выяснится ниже, суще­ственно разнятся по своим характеристикам.

Звездная структура Вселенной, происходящие и поныне в ней изменения свидетельствуют о том, что эта структура, безуслов­но, имеет определенную историю. Разумеется, очень непросто представить, причем в строго научной форме, с соответствующи­ми математическими расчетами, картину звездной эволюции Вселенной. Способен ли поток быстро движущихся частиц, явив­шийся результатом раздувания инфлантонного вакуума, самоор­ганизоваться в такие специфические образования, каковыми являются звезды?

Обычно на поставленный выше вопрос отвечают следующим образом. Частицы однородной среды благодаря силам тяготения притягиваются друг к другу. В указанной среде не обходится без флуктуации, возникновения участков неоднородностей. В тех участках среды, где ее плотность возросла, тяготение стремится еще более сблизить частицы. Гравитационная неустойчивость среды приводит к появлению в ней зон разрежений и сгущений. Их разрастанию препятствуют силы давления. Критический раз­мер, при котором силы тяготения уравновешивают друг друга, на­зывается джинсовой длиной, которая вычисляется по формуле

и

где I — джинсова длина, и — скорость звука в среде (она отоб­ражает величину давления), С — гравитационная постоянная, р — плотность среды. При длинах, меньших джинсовой, грави­тационная неустойчивость приводит к гравитационной конден­сации разреженных облаков газа и превращению их в звезды. Вещественное содержание первых звезд, сформировавшихся в расширяющейся Вселенной, в основном было водородным.

Приведенная выше формула Дж. Джинса была получена им в 1902 г. Ее главный смысл состоит в подтверждении возмож­ности возникновения звезд в результате эволюции гравитаци-

125

онной неустойчивости, сопровождаемой гравитационной кон­денсацией. Но в начале XX в. ничего не знали о фридмановском расширении и тем более о флуктуациях протовакуума, еще предстояло развить расчетно-теоретические методы газовой ди­намики с их соответствующим компьютерным обеспечением. Широко используемое в наши дни компьютерное моделирование подтверждает представление об образовании звезд и галактик из материала расширяющейся Вселенной в результате эволюции гравитационной неустойчивости. Из астрономических наблюде­ний хорошо известно, что процесс образования звезд продолжа­ется и в нашу эпоху.

Каков источник энергии звезд? Гравитационное сжатие про-тозвездного облака, обычно происходящее со скоростью несколь­ко километров в секунду, приводит к образованию ядра звезды. Оно образуется, например, в случае массивных звезд за 300— 400 тыс. лет. Давление излучения останавливает гравитацион­ное сжатие. Кинетическая энергия сближающихся частиц, а это в основном атомы водорода, нагревают ядро звезды, что приво­дит к «включению» звезды — в ее ядре происходят термоядер­ные реакции, которые как раз и являются главным источником энергии излучения звезд.