Вселенная. 10

СОДЕРЖАНИЕ

      Введение

      Во все времена люди хотели знать, как    возник наш мир. Когда в куль-туре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

    С появлением науки в ее современном  понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные  представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имеет специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания) и обозначает все как таковое.

    Значение  термина «Вселенная» уже и  приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными ме-тодами.

    Вселенную в целом изучает космология — наука о космосе. Слово это тоже неслучайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, так было не всегда. В Древней Греции космос понимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу — «беспорядку». Таким образом, космология в основе своей, как и подобает науке, постигает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

    Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, форму-лируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противо-речат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип).

    Выводы  космологии называются моделями происхождения  и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на их основе можно сделать заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

    Ко  Вселенной в целом это методологическое правило неприменимо. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. В связи с этим противоречием все заключения о происхождении и развитии Вселенной считаются не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями. Модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения. 
 
 
 
 
 
 

    1. Модель расширяющейся Вселенной

    Наиболее  общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А.Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения А.Эйнштейна. Из этого следуют так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, называется релятивистской.

    Важным  пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

    Из  теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил в 1922 г. петербургский физик и математик А. А. Фридман. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие в 1929 г. американским астрономом Э.Хабблом так называемого «красного смещения».

    «Красное  смещение» — это понижение  частот электромагнитного излучения, когда в видимой части спектра  линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

    «Красное  смещение» было зафиксировано для всех далеких источников света, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени оно было выражено. «Красное смещение» оказалось пропорционально рассто-янию до источника, что и подтверждало гипотезу об их удалении, т. е. о рас-ширении Метагалактики — видимой части Вселенной. Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

    «Красное  смещение» подтверждает теоретический вывод о нестацио-нарности области нашей Вселенной, имеющей линейные размеры порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

    Если  Вселенная расширяется, значит она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной частью модели расширяя-ющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, происшед-шем примерно 12—18 млрд лет назад. Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устреми-лась прочь от любой другой частицы.

    Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка) — бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрыв-ное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино).

    Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Предсказание реликтового излучения было следствием модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной, а его обнаружение — подтверждением данного следствия. Слово «реликтовое» здесь не случайно — по остаткам древних животных заключают о том, что они существовали.

    Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под «ничем» имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

    Как это ни удивительно, современная  наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создасться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

    Современная квантовая механика допускает, что  вакуум может прихо-дить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспери-ментами) — вещество, и это не противоречит теории.

    Рождение  Вселенной из «ничего» означает с  современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» В. Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

    Флуктуация  представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, участвуя при этом во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

    Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

    На  этом удивительное в современной  физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, А.Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

    Отметим, что теория относительности соответствует  двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства—времени отрицательна или в пределе равна нулю. В этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

    „ Досужий ум неизбежно задается вопросом: что же было тогда, когда не было ничего и что находится за пределами расширения? Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

    Так, проводится различие между терминами  «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

    Но  оставим эти соображения области  натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

    Что же было после Большого взрыва? Образовался  сгусток плазмы — состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и качал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 с после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер ( 2/3 водорода и   1/3 гелия). Рассмотрим, как же образовались все остальные химические элементы. 

    2. Эволюция  и строение галактик

       Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь если звезды зажигают - значит - это кому-нибудь нужно?» Мы знаем, что наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Астрономиичес-кие наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, они являются фабриками по производ-ству основного строительного материала Вселенной — водорода.

    Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную вели-чину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

    Наше  Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода, который  дают ядра галактик. Очень массивные  звезды производят углерод — основу живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос наука ответить не может, но она заставляет нас еще раз задуматься над ним.

    Если  «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной - это значит мыслить космически. Ес-тествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реаль-ности нашего бытия.

    Вопрос  об образовании и строении галактик — следующий важный вопрос происхождения  Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной — едином целом, но также и космогония (от греч. gonos — рождение) — область науки, в которой изучается происхождение и разви-тие космических тел и их систем. Различают планетную, звездную, галакти-ческую космогонию.

    Галактика представляет собой гигантские скопления  звезд и их систем, имеющих центр (ядро) и различную, не только сферическую, но также и спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

    Наша  галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она имеет ядро и несколько спиральных ветвей. Ее размеры — 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

    Ближайшая к нашей галактике галактика, которую световой луч достигает  за 2 млн. лет, — «туманность Андромеды». Она названа так пото-му, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внега-лактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

    А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их.

    Было  предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик, и, стало  быть, процесс образования галактик продолжается и поныне. 

3. Астрономия и космонавтика

   Звезды  изучает астрономия (от греч. astron —   звезда и nomos — закон) наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX в. и в XXI в. свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники (телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п.) наблюдений — основного своего метода исследований. В СССР в 1974 г. в Ставропольском крае в действие вступил рефлектор с диаметром зеркала 6 м, собирающий в миллионы раз больше света, чем человеческий глаз.

    В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

    Особое  значение приобретает в настоящее  время астрофизика — часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика базируется главным образом на наблюдениях. Во многих случаях условия, в которых находится вещество небесных тел и систем, отличаются от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т.д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

    Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время  основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной, на изучение состояния вещества и физических процессов, идущих на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной.

    Один  из основных методов астрофизики  — спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадется на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому — непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый — наиболее отклоняемыми. Каждому химическому эле-менту соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позво-ляет использовать данный метод для изучения веществ.

    К сожалению, коротковолновые излучения  — ультрафиолетовые, рент-геновские и гамма-лучи — не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассмат-ривалась как прежде всего техническая, обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов. Эта наука — космонавтика (от греч. kosmo — порядок и nautike — искусство кораблевождения).

    Космонавтика  изучает проблемы: теории космических  полетов (расчеты траекторий и т.д.), научно-технические проблемы (конструирование косми-ческих ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооруже-ний, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.), медико-биологические проблемы (создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.).

    История космонавтики начинается с теоретических  расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 г. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 г.

    Основными вехами в истории космонавтики стали  запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г., первый полет человека в космос 12 апреля 1961 г., лунная экспедиция в 1969 г., а также создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

    Работы  велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение  усилий в области исследования космического пространства. В 1995 г. осуществлен совместный проект «Мир»—«Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

    Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, задерживаемое атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики. 

    4. Строение и эволюция звезд 

    Существуют  две основные концепции происхождения  небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования

    Солнечной системы, выдвинутой в XVIII в. французским  физиком и математиком П.С.Лапласом и развитой немецким философом И. Кантом. В соответствии с ней звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.

    Принятие  модели Большого взрыва и расширяющейся  Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел, что привело к возникновению гипотезы В.Амбарцумяна о возникновении галак-тик, звезд и планетных систем из сверхплотного путем фрагментации дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц — гиперонов), находящегося в ядрах галактик.

    Открытие  В.Амбарцумяном звездных ассоциаций, состоящих  из очень молодых звезд, стремящихся «убежать» друг от друга, было понято как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.

    Модель  расширяющейся Вселенной оказалось не так просто доказать, но именно преодоление этих трудностей привело к развитию астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, в результате чего их скорость должна падать. Но для торможения массы Вселенной не хватает. Из этого возражения в 1939 г. родилась гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», хранящих 9/10 массы Вселенной (т.е. столько, сколько недостает).

    Что же представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается  в объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и ничего не отражает, и, стало быть, ее невоз-можно обнаружить. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается, то на каком-то его этапе начинают происходить незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Ученые предполагают, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик и являются сверхмощным источником энергии.

    Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию — звезды и не испускающие энергию — планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино.

    Звезды  — это «фабрики» по производству химических элементов и источники света и жизни. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Есть звезды, блеск и спектр которых меняются. К ним относятся переменные звезды (Кит) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов).

    Существуют  очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от радиуса Солнца (10—20 км). Последние называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов.

    В 1967 г. были открыты пульсары — космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов — 0,03-4 с, а у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, в которых к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной, звезды) — несколько секунд.

    К интересным небесным телам, которым  часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие ее обширную голову. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

    В небе постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых  светимость звезды возрастает в сотни  тысяч раз. Эти взрывы характеризуют  галактический пульс.