close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

821.Лекция 8 Проблемы космотологии

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Дисциплина
«Концепции современного естествознания»
Лекция 8 - Проблемы космотологии
Автор – д.в.н., профессор
Дудь Александр Петрович
Концепция Вселенной и космическая эволюция
Представление об открытых системах, введенное неклассической термодинамикой,
явилось основой для утверждения в современном естествознании общей концепции
эволюции природы.
Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в
прошлом веке (теория возникновения Солнечной системы Канта—Лапласа, теория
геологической эволюции Ч. Лайеля и эволюционная теория Дарвина), тем не менее
никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до XX в. не существовало.
Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось
преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее
рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как
лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд опирался на представление,
что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к
свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими
простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в
настоящее время кварки.
Бесспорно, что атомистический подход имеет большое значение для объяснения
явлений природы, но он акцентирует внимание на строении и структуре различных
систем, а не на их возникновении и развитии. В последние годы постепенно получают
распространение также теории, касающиеся скорее системного и эволюционного характера
взаимодействий между элементами систем, чем анализа свойств тех элементов, из
которых они состоят.
Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и
представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются
различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной.
Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии — науки о Вселенной
как едином целом и всей, охваченной астрономическими наблюдениями ее области,
называемой Метагалактикой.
Сам термин «космология» образован от двух греческих слов: kosmos —
Вселенная и logos — закон, учение. По своей сути космология представляет собой
раздел естествознания, использующий достижения и методы астрономии, физики,
математики, философии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
Естественно-научной базой космологии являются астрономические наблюдения
Галактики и других звездных систем, общая теория относительности, физика
микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистская термодинамика и ряд
других новейших физических теорий.
Многие положения современной космологии кажутся фантастическими. Понятия
Вселенной, бесконечности, Большого взрыва не поддаются наглядному физическому
восприятию; такие объекты и процессы нельзя зафиксировать непосредственно. Из-за
этого обстоятельства складывается впечатление, что речь идет о чем-то
сверхъестественном. Но такое впечатление обманчиво, поскольку функционирование
космологии носит весьма конструктивный характер, хотя многие ее положения и
оказываются гипотетичными.
Современная космология — это раздел астрономии, в котором объединены
данные физики и математики, а также универсальные философские принципы,
поэтому она представляет собой синтез научных и философских знаний. Такой синтез
в космологии необходим, поскольку размышления о происхождении и устройстве
Вселенной эмпирически трудно проверяемы и чаще всего существуют в виде
теоретических гипотез или математических моделей.
Космологические исследования обычно развиваются от теории к практике, от
модели к эксперименту, и здесь исходные философские и общенаучные установки
приобретают большое значение. По этой причине космологические модели
существенно различаются между собой — в их основе зачастую лежат
противоположные исходные философские принципы. В свою очередь, любые
космологические выводы также влияют на общефилософские представления об
устройстве Вселенной, т.е. изменяют фундаментальные представления человека о
мире и самом себе.
Важнейший постулат современной космологии заключается в том, что законы
природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной,
могут быть экстраполированы на гораздо более широкие области, а в конечном счете и
на всю Вселенную.
Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические
принципы и законы положены в их основу. Построенные на их базе модели должны
допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, а выводы теории —
подтверждаться наблюдениями или во всяком случае не противоречить им.
Мы в лекции коснемся в основном принципов космологии с точки зрения
бесконечности и конечности моделей Вселенной и ее эволюции.
Космологические модели Вселенной
Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей
происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии
невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое
космическое явление уникально. Поэтому космология оперирует моделями.
Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических
представлений, которые существуют в данное время в космологии.
Формирование классической космологической модели
Уже древние мудрецы задавались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной. Их
взгляды и идеи были неотъемлемым компонентом философских систем древности. Эти первые
космологические идеи, сохранившиеся до наших дней в виде мифов, основывались на
астрономических наблюдениях.
Жрецам Вавилона, Египта, Индии и Китая удалось точно вычислить
продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений. Наблюдая за
небесными телами, они смогли выявить две группы небесных тел: подвижные и
неподвижные. Множество звезд долгое время считались неподвижными объектами.
К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и пять известных в то время
планет, названных именами богов (впервые это было сделано в Вавилоне, сегодня же
мы используем в качестве названий планет имена римских богов) — Меркурий,
Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В их честь неделя была разделена на семь дней,
каждый из которых в существующей и сегодня астрологической традиции связан с
одним из подвижных тел. Из наблюдения видимого движения Солнца по небесной
сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.
После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену
мифологии, ответ на «вечные» вопросы стали искать в основном в рамках
философских концепций. В античности появилось несколько интересных
космологических моделей Вселенной, принадлежащих Пифагору, Демокриту,
Платону. Тогда же возникли и первые гелиоцентрические модели Вселенной.
Так, Гераклид Понтийский признавал суточное вращение Земли и ее движение
вокруг покоящегося Солнца. Аристарх Самосский выдвигал идею о том, что Земля
вращается по окружности, центром которой служит Солнце. Но гелиоцентрические
идеи были отвергнуты большинством античных мыслителей, и общепризнанным
итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция, сформулированная
Аристотелем и усовершенствованная Птолемеем. Данная модель просуществовала в
течение всего Средневековья. Она была очень сложной, так как для компенсации
видимого движения планет, совершающих петлеобразные движения, пришлось ввести
систему деферентов и эпициклов.
С приходом Нового времени философия уступила свое первенство в создании
космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX в.,
перейдя от различных догадок к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и
теориям. Первым результатом стало появление в XVI в. гелиоцентрической модели
Вселенной, автором которой стал Николай Коперник. В этой модели Вселенная все
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
еще представляла собой замкнутую сферу, в центре которой находилось Солнце, а
вокруг него вращались планеты, в том числе и Земля.
Успехи космологии в XVIII—XIX вв. завершились созданием классической
полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной
космологии.
Данная модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в
пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом,
управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного
тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя
пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь
универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все тела,
пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и
звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит
длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам
приходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел
оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически
непротиворечивой.
В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке
вплоть до начала XX в.
Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков. Закон
всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не
говорил, откуда взялось стремление планет, а также любых материальных тел
двигаться равномерно и прямолинейно.
Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней
божественного «первотолчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для
коррекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом,
классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не
смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими
моделями.
Космологические парадоксы
К концу XIX в. появились серьезные сомнения в классической космологической
модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов —
фотометрического, гравитационного и термодинамического.
Фотометрический парадокс. Еще в XVIII в. швейцарский астроном Р. Шезо
высказал сомнения в пространственной бесконечности Вселенной. Если
предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует
бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то
тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы
на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы
бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит. Независимо от Шезо к
аналогичным же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это
парадоксальное
утверждение
получило
в
астрономии
наименование
фотометрического парадокса Шезо—Ольберса. Таков был первый космологический
парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.
Гравитационный парадокс. В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер
обратил внимание на другой парадокс, также неизбежно вытекавший из
представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного
парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно
распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на
данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит
от способа вычисления. Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что
количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит, и сама Вселенная не
бесконечна.
Термодинамический парадокс. Третий, термодинамический, парадокс также
был сформулирован в XIX в. Он вытекает из второго начала термодинамики —
принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется
важнейшему закону природы — закону сохранения энергии. Казалось бы, из этого
закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле,
если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего,
а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а
материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие
звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это
происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то
время почти всеобщим.
Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого
в середине XIX в. англичанином Кельвином и немецким физиком Клаузиусом. При
всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло,
которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического
равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла
необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе
прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит
тепловая смерть Вселенной.
Встать на позицию Клаузиуса — значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и
неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то
в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению
Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно, а в
будущем, если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет тепловая смерть.
Таким образом, концепция тепловой смерти Вселенной, термодинамический
парадокс подставили под сомнение вопрос о вечности Вселенной во времени. Три
космологических парадокса заставили ученых усомниться в классической
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых
моделей.
Современная космология возникла после появления общей теории относительности,
и поэтому ее в отличие от прежней, классической, космологии называют релятивистской.
Релятивистская модель Вселенной
Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу
составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности.
Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и
времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во
времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна,
определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но
при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и
изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя
распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на
свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод,
что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.
При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы.
Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному
представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как
конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров.
Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое
сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком
пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время
муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться
в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и
конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.
Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной
сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все
же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую
Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое
путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему
Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы.
Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и
звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный
парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной
Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему
концу во времени. Вечность ей не присуща.
Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в
своей космологической теории ориентировался на привычную классическую
мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и
устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Модель расширяющейся Вселенной
Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью,
базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно
тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром
современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн
допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы,
которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее
развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.
Новый этап развития релятивистской модели был связан с исследованиями
русского ученого А.А. Фридмана (1888-1925), которому удалось впервые теоретически
доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть
стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься.
В 1922 г. А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная
Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной.
Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом,
неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание»
галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в
которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из
стадий так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением
происходит ее сжатие.
При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический
принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и
однородности Вселенной.
Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений,
одинаковость Вселенной по всем направлениям, т.е. свойства Вселенной не зависят от
направления.
Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной:
мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную
Вселенную.
Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.
Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами. К ним
добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам
тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми.
Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения
Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная
может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого
пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана
напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь
поверхности непрерывно увеличиваются.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели
развития Вселенной.
В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу
гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной
замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала
сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя
сферу.
Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство
искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.
В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.
В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также
представления о кривизне пространства-времени и связи этой кривизны с плотностью
массы вещества. С точки зрения общей теории относительности кривизна пространствавремени, как мы знаем, определяется распределением тяготеющих масс. Но независимо от
этого модели можно рассматривать и чисто геометрически.
В зависимости от кривизны пространства-времени различают:
открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, а расстояния
между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует
бесконечной Вселенной;
замкнутую модель с положительной кривизной, в которой Вселенная оказывается
конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какойлибо границы.
Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой
конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной
увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности
раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с
полным правом считать центром расширения.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический
характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский
астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий
(смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие
эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения
источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было
объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей
с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения
составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.
В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная
— это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует
множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с
тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась
концепция расширяющейся Вселенной.
Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все
возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная
расширяется.
Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей
своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить
время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается,
что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем
существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков
приблизительный возраст нашей Вселенной.
В связи с этим на первый план выдвигаются именно проблемы исследования
расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого
расширения.
Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели
Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной
необходимо допустить, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые
трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой
сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому
состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям,
которые трудно обнаружить где-либо в мире.
Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в
сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне
согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она
находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.
Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.
Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности
превышала 1013 градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало
шкалы соответствует 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы
приблизительно 1093г/см3, огромная величина, которую трудно даже вообразить.
В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с
которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой
также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел
примерно 15—20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более
медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По
степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее
эволюции. Полагают, например, что после 0,01 секунды после взрыва плотность материи
с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в
расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны,
электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные
превращения пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару
электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется
смесь легких ядер: 2/з водорода и 1/3 гелия.
Поэтому, третий период развития космологии связан с исследованием физических
процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Начало им
положили работы известного американского физика Г.А. Гамова (1904—1968), русского
по происхождению. В них он пытался раскрыть картину происхождения химических
элементов во Вселенной.
В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные
аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения
самой Вселенной.
Из всей совокупности современных космологических теорий только теория
Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно
объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой.
Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были
позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной,
разработанной американскими учеными Алан Гутом и П. Стейн-хардтом и
дополненной советским физиком Андреем Линде.
В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов
выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате
гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все
вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном
сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения
радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности.
Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с
бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В
этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому
бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего
не может сказать о причинах появления такого состояния.
Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество
невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном
состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если
все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10 61 г, сжать
до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный
микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было
сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня
появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в
основе инфляционной модели развития Вселенной.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
«Начало» Вселенной
Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на
ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с
большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как
бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые
частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются
виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же
исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными
взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме,
располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей
энергетических уровней вакуума.
Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют лишь
виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на
короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают
позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо
причине в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из
состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи
и превращались в реальные частицы. В конце концов в определенной точке
пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной
ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась
гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю.
Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было
деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое
называют «ложным» вакуумом.
Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой
соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в
нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные
гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и
стремительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было
первотолчком, «началом» нашего мира.
С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают
время и пространство. В это время идет безудержное раздувание «пузырей
пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут
отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из
них стал зародышем нашей Метагалактики.
По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает
невообразимо малый промежуток времени — до 10-33 с после «начала». Он
называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились
в 1050 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция
иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла,
осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в
«ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к
распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция.
А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде
излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная
развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.
Ранний этап эволюции Вселенной
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из
элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического
равновесия при температуре 1027 К, которые свободно превращались друг в друга. В
этом сгустке существовали только гравитационное и большое (Великое)
взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плотность и
температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселенной происходила поэтапно и
сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее
структур.
Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия
элементарных частиц и называются эрами. Самые важные изменения заняли менее
трех минут.
Адронная эра продолжалась 10-7 с. На этом этапе температура понижается до 1013
К. При этом появляются все четыре фундаментальных взаимодействия, прекращается
свободное существование кварков, они сливаются в адроны, важнейшими среди
которых являются протоны и нейтроны. Наиболее значимым событием стало
глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения
существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше, чем число
античастиц. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем
плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц на одну
частицу оказывалось больше, ей не хватало пары для аннигиляции (от позднелат. annihilatio
- уничтожение, исчезновение), один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении
частицы с античастицей.).
Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной
с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
Лептонная эра продолжалась до 1 с после начала. Температура Вселенной
понизилась до 1010 К. Главными ее элементами были лептоны, которые участвовали во
взаимных превращениях протонов и нейтронов. В конце этой эры вещество стало
прозрачным для нейтрино, они перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор
дожили до наших дней.
Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1 млн. лет. За это время
температура Вселенной снизилась с 10 млрд. К до 3000 К. На протяжении данного
этапа происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
первичного нуклеосинтеза — соединение протонов и нейтронов (их было примерно в
8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра.
К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода),
около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие
легкие элементы, после чего Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось
от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением.
Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений —
шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь
однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000 К, ядра
атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться
при этом в нейтральные атомы водорода и гелия.
В итоге образовалась однородная Вселенная, представлявшая собой смесь трех почти не
взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов
(нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). К этому времени уже не было высоких температур
и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание,
образование «лептонной пустыни» — что-то вроде тепловой смерти. Но этого не случилось;
напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную,
который, по современным оценкам, занял от 1 до 3 миллиардов лет.
В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по
мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей
последовательности кадров кинофильма.
Первый кадр. Начиная с 1/100 секунды после взрыва, когда температура стала равной
100 млрд градусов по Кельвину (в дальнейшем температура будет указываться по этой
шкале), Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом
из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с
другими частицами».
Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и
антинейтрино. Кроме того, там существовало небольшое число ядерных частиц, около
одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.
Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд градусов, но качественно ее
состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов,
фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии.
Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.
Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура
Вселенной упала до 10 млрд градусов. К этому времени уменьшение плотности и
температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и
антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают
находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая
температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.
Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд градусов,
которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для
образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны
продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.
Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 млрд градусов, что, однако, в
70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра
трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном
количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.
Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 млн градусов, а со времени
первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны
исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для
компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли
возникнуть стабильные ядра.
Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать
устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период
происходит разъединение вещества и излучения.
Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти
из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала
прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным
космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое
часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.
Структурная самоорганизация Вселенной
После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были
рассеяны и представляли собой газопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя
1 млрд. лет после начала образования Вселенной стали появляться галактики и звезды.
К этому времени вещество уже успело охладиться, и в нем стали возникать
стабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие космос.
((от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое
периодическое изменение. В квантовой механике — случайные отклонения от среднего значения
физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц)
В сформировавшейся материальной среде появлялись и получали развитие
случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри таких уплотнений проявляют
себя заметнее, чем за их границами. Поэтому, несмотря на общее расширение
Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, а его плотность начинает
постепенно возрастать. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение,
уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные
галактики. Появление подобных уплотнений и стало началом рождения
крупномасштабных космических структур — галактик, а затем и отдельных звезд.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Рождение и эволюция галактик
Итак, первым условием появления галактик во Вселенной стало появление
случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной. Впервые
подобная мысль была высказана И. Ньютоном, который утверждал, что если бы
вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, то оно никогда
бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах
бесконечного пространства. Данная идея Ньютона стала одним из краеугольных
камней современной космогонии.
Второе условие появления галактик — наличие малых возмущений, флуктуаций
вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства.
Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более
крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с
процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар
конденсируется на крохотных частичках — ядрах конденсации.
В середине XX в. были проведены расчеты, описывающие поведение таких
сгущений. В частности, было доказано, что в расширяющейся Вселенной участки
среды с большей плотностью расширяются медленнее, чем Вселенная в целом. Эти
области постепенно отстают в расширении от остальной Вселенной, и в какой-то
момент времени они совсем перестают расширяться. Изолированные участки
вещества, как правило, очень велики по массе: она составляет в среднем 1015—1016
масс Солнца. Данные массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем,
происходит это весьма своеобразно — анизотропно. Вначале исходные объекты имеют
форму куба, а затем сжимаются в пластинку — «блин». Первоначально изолированные
друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои
пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура,
где стенками огромных пустот служат «блины». Отдельный «блин» представляет
собой сверхскопление галактик и имеет уплощенную форму. Эти первичные сгустки,
продолжая сжиматься, становятся сферически симметричными. Кроме того, внутри
себя они одновременно фрагментируются на звезды.
Существуют предположения относительно того, почему чаще встречаются
спиральные галактики (их около 80%), чем галактики других типов (эллиптические и
неправильные). Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния
протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем
за несколько сотен миллионов лет (немного по космическим меркам) неровности
сглаживаются, и образуется массивная эллиптическая галактика. Постепенно в
результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура,
которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики.
Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа,
занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими
галактиками.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна
гигантская галактика, а остальные — мелкие. Считается, что вначале гигантская
галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по
мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она
заглатывала более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на «съедение»,
называют галактиками-миссионерами.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается,
что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас.
Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от
друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы
принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений
(сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные
галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояния
между галактиками в группах и скоплениях в 10—20 раз больше, чем
размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до
18 млн. световых лет. Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик
находятся на расстоянии 10 млрд. световых лет. Свет этих звезд идет к нам
миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых
лет назад. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода
излучениями. Основное вещество, составляющее межзвездный газ, — водород, на
втором месте — гелий. Следует отметить, что водород и гелий — наиболее
распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во
Вселенной.
Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с
выпуклостью в центре — ядром, от которого отходят спиралевидные
рукава. Ее толщина — 1,5 тыс. световых лет, а диаметр — 100 тыс.
световых лет. Возраст нашей Галактики составляет около 15 млрд. лет. Она
вращается довольно сложным образом: значительная часть ее галактической материи
вращается дифференциально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая
внимания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно далекие космические
тела, и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их расстояния от
центра. Другая часть диска нашей Галактики вращается твердотельно, как
музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части галактического диска
угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Наше Солнце находится в
таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального
вращения равны. Такое место называется коротационным кругом. В нем создаются
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
особые, спокойные
звездообразования.
и
стационарные
условия
для
процессов
Рождение и эволюция звезд
Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации под
действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного
тяготения из газового облака образуется плотный шар — протозвезда, эволюция
которой проходит три этапа.
Первый этап эволюции связан с обособлением и уплотнением космического
вещества. Второй представляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то
момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее
сжатия, однако температура во внутренних областях пока остается недостаточной для
начала термоядерной реакции. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься,
а ее температура — повышаться, что приводит к началу термоядерной реакции.
Давление газа, вытекающего из звезды, уравновешивается силой притяжения, и
газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект — звезда. Такая
звезда является саморегулирующейся системой. Если температура внутри не
повышается, то звезда раздувается. В свою очередь, остывание звезды приводит к ее
последующему сжатию и разогреванию, ядерные реакции в ней ускоряются. Таким
образом, температурный баланс оказывается восстановлен. Процесс преобразования
протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по
космическим масштабам.
Рождение звезд в галактиках происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует
также непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому галактики состоят из старых
и молодых звезд. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, их
возраст сравним с возрастом галактики. Эти звезды формировались, когда
протогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки. Молодые звезды
(возраст около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия,
которая разогревает центральную область звезды до температуры 10—15 млн. К и
«запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно
термоядерная реакция является источником собственного свечения звезд.
С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда
типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в
соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды:
ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания
водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные
термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи
поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды.
Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Оболочка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и
звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда выходит на
завершающий этап своей жизни. Наше Солнце это ждет примерно через 8 млрд. лет.
При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты
Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся
оплавленные камни).
Для красного гиганта характерна низкая внешняя, но очень высокая внутренняя
температура. При этом в термоядерные процессы включаются все более тяжелые ядра,
что приводит к синтезу химических элементов и непрерывной потере красным
гигантом вещества, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так, только
за один год Солнце, находясь в стадии красного гиганта, может потерять одну
миллионную часть своего веса. Всего за десять — сто тысяч лет от красного гиганта
остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится белым карликом.
Таким образом, белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта, а затем
сбрасывает остатки оболочки, поверхностных слоев, которые образуют планетарную
туманность, окружающую звезду.
Белые карлики невелики по своим размерам — их диаметр даже меньше диаметра
Земли, хотя их масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды раз
больше плотности воды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны.
Тем не менее, это вещество является газом, хотя и чудовищной плотности. Вещество,
из которого состоит белый карлик, — очень плотный ионизированный газ, состоящий
из ядер атомов и отдельных электронов.
В белых карликах термоядерные 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 их
охлаждения — сотни миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его
меняется от белого к желтому, а затем — к красному. Наконец, он превращается 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 живут всего
несколько десятков миллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они
превращаются в красные гиганты всего за 2,5 млн. лет. При этом в их гелиевом ядре
температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура
дает возможность для протекания реакций углеродного цикла (слияние ядер гелия,
приводящее к образованию углерода). Ядро углерода, в свою очередь, может
присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до
кремния. Выгорающее ядро звезды 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 химические элементы — от железа до висмута
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
также образуются в недрах красных гигантов, в процессе медленного захвата
нейтронов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных реакциях, а,
наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все убыстряется.
Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева,
предположительно происходит в оболочках взрывающихся звезд, при их превращении
в новые или сверхновые звезды, которыми становятся некоторые красные гиганты. В
зашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способен
противостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс — катастрофическое
сжатие звезды, она «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц или какие-либо
другие причины все же останавливают этот коллапс, происходит мощный взрыв —
вспышка сверхновой звезды.
Одновременно при этом в окружающее пространство сбрасывается не только
оболочка звезды, но и до 90% ее массы, что приводит к образованию газовых
туманностей. При этом светимость звезды увеличивается в миллиарды раз. Так, был
зафиксирован взрыв сверхновой звезды в 1054 г. В китайских летописях было
записано, что она видна днем, как Венера, в течение 23 дней. В наше время астрономы
выяснили, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность,
являющуюся мощным источником радиоизлучения.
Взрыв сверхновой звезды сопровождается выделением чудовищного количества
энергии. При этом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный
радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики
подсчитали, что примерно раз в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в
непосредственной близости от Солнца, повышая естественный фон в 7 тысяч раз. Это
чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при
взрыве сверхновых идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с
накопившимися в ней «шлаками» — химическими элементами, результатами
деятельности нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро
обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия.
Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в
своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых
элементов.
Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной
Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной привело к
образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть
совершенно уникальные объекты, все же с точки зрения дальнейшей эволюции
Вселенной особое значение имело появление звезд — красных гигантов. Именно в
этих звездах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство
элементов таблицы Менделеева. Это открыло возможность для новых усложнений
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
вещества. В первую очередь, появилась возможность образования планет и появления
на некоторых из них жизни и, возможно, разума.
Поэтому образование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.
Состав Солнечной системы
Солнце — наша звезда. Солнечная система включает Солнце, восемь планет со
спутниками, а также пояс астероидов, кометы и метеориты.
Солнце — звезда среднего размера, его радиус составляет около 700 тыс. км,
температура на поверхности — около 6000°С. Солнце относится к числу рядовых звезд
нашей Галактики (желтый карлик) и расположено ближе к ее краю в одном из спиралевидных
рукавов. Солнечная система обращается вокруг Галактики со скоростью около 220 км/с. При этом
одновременно оно совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Данный период
называют галактическим годом.
Солнце представляет собой плазменный шар со средней плотностью 1,4 г/см 3,
окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Активность Солнца
циклична, периодичность циклов составляет 11 лет. Источником солнечной энергии
являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в
его недрах. Солнце состоит из водорода, гелия и других элементов, соотношение
которых изменяется от поверхности к ядру.
В верхних слоях содержится около 90% водорода и около 10% гелия. Ядро состоит из водорода
лишь на 37%. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу
гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции,
превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно при температуре около 15 млн. градусов
600 млн. т ядер водорода, сливаясь, образуют ядра гелия, при этом 4,3 млн. т трансформируются в
лучистую энергию, освещающую всю Солнечную систему. При сохранении таких темпов выгорания
водорода Солнце будет светить с той же интенсивностью еще 5—6 млрд. лет, после чего оно
превратится в красный гигант, а затем в белого карлика. После этого вновь возможна вспышка
термоядерного синтеза, после которого звезда превратится в холодное темное тело — черный карлик.
Планеты Солнечной системы. Крупнейшими после Солнца объектами
Солнечной системы являются планеты и их спутники. Считается, что все планеты
Солнечной системы возникли одновременно примерно 4,6 млрд. лет назад. В
современной космогонии доминирует концепция холодного начального состояния планет, которые
под влиянием электромагнитных и гравитационных сил образовались в результате объединения
твердых частиц газопылевого облака, окружавшего Солнце.
Все планеты Солнечной системы можно разделить на две группы: 1) планетыгиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и 2) планеты земного типа (Меркурий,
Венера, Земля, Марс). Оба типа планет отличаются друг от друга по химическому
составу. Так, в составе твердых оболочек Юпитера и Сатурна преобладают водород и гелий, эти
планеты по химическому составу близки к Солнцу. Планеты земной группы в этом смысле резко
отличаются от Солнца, поскольку наиболее распространенными элементами в их составе являются
железо, кислород, кремний и магний.
Строение всех планет Солнечной системы слоистое. Слои различаются по плотности,
химическому составу и другим физическим характеристикам. В недрах планет происходит
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
радиоактивный распад элементов. Поверхность планет формируется под действием двух типов
факторов: эндогенных и экзогенных. Эндогенные факторы — это процессы, происходящие в ядре
планеты и меняющие ее внешний облик: перемещения участков коры, вулканические извержения,
горообразование и т.п. Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические
реакции при соприкосновении с атмосферой, изменения под воздействием ветра, падение метеоритов
и т.п.
В настоящее время в составе Солнечной системы насчитывается восемь планет,
которые расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля,
Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, (Плутон – 2006 г. исключили). Между Марсом
и Юпитером находится кольцо астероидов, которые движутся вокруг Солнца. Сейчас
ученым известно около 2000 астероидов.
Размеры планет значительно меньше Солнца. Некоторые планеты Солнечной
системы имеют собственные спутники: Земля и Плутон — по одному, Марс и Нептун
— по два, Уран — пять, у Сатурна, по последним данным, — 32 спутника, а у
Юпитера — 39. Все планеты Солнечной системы, а также их спутники освещаются
солнечным светом и именно поэтому могут наблюдаться учеными.
В современном естествознании каждая из планет характеризуется девятью
основными параметрами. К ним относятся:
расстояние от Солнца,
период обращения вокруг Солнца,
период обращения вокруг своей оси,
средняя плотность,
диаметр экватора в километрах,
относительная масса,
температура поверхности,
число спутников,
преобладание газа в атмосфере.
Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий, который состоит из большого
железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему
виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами. Сила
тяжести на планете в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически
отсутствует, газы могут свободно покидать планету. Температура на Меркурии — от
+350°С на освещенной Солнцем (дневной) стороне до — 170°С на ночной.
Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень
плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение внутрь и не выпускающую
его обратно. Поэтому на Венере давно действует парниковый эффект, который
начинает отмечаться сейчас и на Земле. В результате парникового эффекта
температура поверхности Венеры составляет 400—500°С. Венера, как и Меркурий,
состоит из металлического (железоникелевого) ядра, расплавленной мантии и твердой
коры. Поверхность Венеры представляет собой знойную пустыню с небольшими
низинами и нагорьями высотой до 3 км.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
Отличительной особенностью Марса является высокое содержание железа и
окислов других металлов в поверхностном слое. Поэтому его поверхность имеет вид
красной каменистой пустыни, окутанной тучами красного песка. Наряду с абсолютно
плоскими пустынями на Марсе есть горные хребты, глубокие каньоны, огромные
вулканы. Крупнейший марсианский вулкан — пик Олимп — имеет диаметр 700 км и
высоту 26 км. На Марсе существуют также полярные шапки, состоящие из сухого льда
(замерзшего углекислого газа). Обнаруженные русла высохших рек свидетельствуют о
теплом климате, существовавшем на этой планете ранее.
Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы. Вместе со своими 16
спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три
раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы и в 318 раз больше
массы Земли. В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает
вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл,
затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода,
гелия, метана и аммиака и по толщине в 8—10 раз превосходит земную атмосферу.
Быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси вызывает мощные ветры и вихри на его
поверхности. По этой же причине сутки на Юпитере длятся всего 10 часов.
Сатурн широко известен своими кольцами, которые состоят из огромного
количества кусков льда различного размера — от пылинок до глыб. Эта планета имеет
самую низкую плотность среди всех планет Солнечной системы. Его небольшое ядро
изо льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере
Юпитера бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч.
Уран и Нептун — более далекие и хуже изученные планеты. Они имеют более
высокую плотность, чем Сатурн, поэтому на них больше веществ тяжелее водорода и
гелия. Эти планеты имеют ядра диаметром 16 000 км, которые окружены мантиями,
состоящими изо льда. Далее идут газовые оболочки, состоящие из водорода с
примесью метана. Уран и Нептун так же, как и Сатурн, имеют спутники, но о них нам
почти ничего не известно.
Плутон — самая далекая малая планета, не входящая в семейство газовых гигантов. Его
размеры сопоставимы с размерами Луны. Температура на поверхности Плутона составляет всего 50
К, поэтому все газы, кроме водорода и гелия, там выморожены. Считается, что поверхность планеты
состоит из метанового льда. В 1978 г. был открыт спутник Плутона — Харон. Так же, как и Земля с
Луной, Платон и Харон образуют двойную планетную систему. Интересно, что масса Харона
составляет 1/10 массы Плутона, это самый высокий показатель в Солнечной системе.
В 2006 г. астрономы исключили Плутон из общего количества планет солнечной системы.
Кометы, астероиды и метеоры. Помимо девяти крупных планет в Солнечной
системе имеется огромное множество мелких спутников, называемых астероидами,
кометами и метеорами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между
орбитами Марса и Юпитера.
Астероиды представляют собой малые планеты, имеющие в поперечнике диаметр
до 1000 км. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23
планет. Из них самой крупной является планета Церера. Сталкиваясь друг с другом,
астероиды дробятся на метеориты.
Помимо астероидов, движущихся по орбитам, Солнечную систему пересекают
кометы. В переводе на русский слово «комета» означает «хвостатая звезда». Комета
состоит из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров.
Ядра комет имеют размеры несколько километров и состоят из каменных и металлических
образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Согласно современным данным,
кометы являются побочными продуктами формирования планет-гигантов. Кометы живут
сравнительно недолго: от нескольких столетий до нескольких тысячелетий, со временем они
рассыпаются, оставляя после себя облака космической пыли.
Кроме астероидов и комет в межпланетном пространстве беспорядочно
двигаются небольшие небесные тела, которые довольно часто попадают в земную
атмосферу. Самые мелкие из них — метеоры — имеют массу от нескольких десятков
килограммов до нескольких граммов, более крупные — метеориты — достигают
нескольких десятков тонн. Большинство из них полностью сгорает в верхних слоях
атмосферы на высоте 40—70 км, а самые крупные могут достигать земной
поверхности, оставляя на ней кратеры.
Образование Солнечной системы
До настоящего времени вопрос о происхождении Солнечной системы не получил
своего точного научного описания. Тем не менее достоверно известно, что Солнечная
система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце — звезда второго
(или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на
продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в
газопылевых облаках.
Гипотеза Канта-Лапласа.
Это была первая серьезная попытка создать картину происхождения Солнечной
системы с научной точки зрения. Она связана с именами французского математика
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Пьера Лапласа и немецкого философа Иммануила Канта, работавших в конце XVIII
века. Они полагали, что прародительницей Солнечной системы является раскаленная
газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре.
Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться у полюсов
и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной, поэтому в
диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое
кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток, вращающийся
вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты, а кольца
вокруг них — в спутники.
Основная часть туманности осталась в центре, до сих пор не остыла и стала Солнцем.
Уже в XIX веке обнаружилась недостаточность этой гипотезы, так как она не всегда
могла объяснить новые данные в науке, но ценность ее все еще велика.
Гипотеза О.Ю.Шмидта
Советский геофизик О.Ю.Шмидт несколько иначе представлял себе развитие
Солнечной системы, работая в первой половине XX века. Согласно его гипотезе,
Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло
часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и
превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло
позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли
сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической
деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли.
Из лав выделялись газы. Они образовали первичную атмосферу, которая еще не
содержала кислорода. Больше половины объема первичной атмосферы составляли
пары воды, а температура ее превышала 100°С. При дальнейшем постепенном
остывании атмосферы произошла конденсация водяных паров, что привело к
выпадению дождей и образованию первичного океана. Это произошло около 4,5-5
млрд. лет назад. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой
утолщенные, относительно легкие части литосферных плит, поднимающихся выше
уровня океана.
Гипотеза Ж.Бюффона
Далеко не все были согласны с эволюционным сценарием происхождения планет
вокруг Солнца. Еще в XVIII веке французский естествоиспытатель Жорж Бюффон
высказал предположение, поддержанное и развитое американскими физиками
Чемберленом и Мультоном. Суть этих предположений такова: когда-то в окрестностях
Солнца пронеслась другая звезда. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную
приливную волну, вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров.
Оторвавшись, эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки,
каждый из которых сформировал свою планету.
Гипотеза Ф.Хойла (XX век)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25
Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно
ей у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков
унеслась в космическое пространство, меньшая — осталась на орбите Солнца и
образовала планеты.
Все гипотезы по-разному трактуют происхождение Солнечной системы и родственные
связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из
единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле
предстояло пройти путь в 5 млрд. лет, испытать ряд фантастических превращений,
прежде чем мы увидели ее в современном облике. Однако необходимо заметить, что
гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о
происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Но можно
считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти
одновременно) из единой материальной среды, из единого газово-пылевого облака.
Гипотеза X. Альвена и С. Аррениуса. На протяжении XX в. выдвигался целый
ряд противоречащих друг другу гипотез о происхождении Солнца и Солнечной
системы, из которых наиболее убедительной и популярной стала гипотеза шведских
астрономов X. Альвена и С. Аррениуса.
Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм
планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет
около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения
- этого механизма они привлекают совокупность различных сил — гравитацию,
магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.
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 газопылевого 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 образовываться планеты, центральное тело системы
уже существовало. К такому выводу исследователи пришли в результате многолетнего изучения
изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли. При этом были обнаружены отклонения в
изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного
состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов.
Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного
газопылевого облака, и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не
превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого
облака, и она послужила материалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса этого
облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник
Солнца.
Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом
признаков:
• мощным магнитным полем, величина которого превышает определенное
критическое значение;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26
• пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной
плазмой, создающей солнечный ветер.
Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело
размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская
сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с
поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни
миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни
миллионов ампер и более. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали
разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их
следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной.
Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное
гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц,
послуживших материалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара
нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но при этом
они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались, и в зависимости от химического
состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела.
Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по
химическому и весовому составу. В конечном счете, выделились три-четыре концентрические
области, плотность частиц в которых примерно на семь порядков превышала их плотности в
промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты земной группы,
которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см 3), а планетыгиганты — намного меньшие плотности (1-2 г/см3).
Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинала отставать в своем
вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны
заставляли плазму вращаться быстрее. Но это происходило за счет замедления вращения
центрального тела. Ускорение плазмы увеличивало центробежные силы, оттесняя их от звезды.
Между центральным телом и плазмой образовалась область с очень низкой плотностью вещества.
Таким образом, создалась благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их
выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Эти зерна получали от плазмы импульс и, двигаясь по
орбитам будущих планет, уносили с собой часть момента количества движения в Солнечной системе.
Сегодня на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей системы,
приходится 99% суммарного момента количества движения.
Множественные соударения между зернами приводили к их агрегации в большие группы.
Затем эти зерна слипались в зародышевые ядра, к которым продолжали прилипать частицы, и они
постепенно разрастались до крупных тел — планетезималий. Сталкиваясь друг с другом,
планетезималии образовывали допланетные тела.
Их первоначальное количество оценивается во множество миллионов. Образование
планетезималий продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет заняло от 10 5 до
108 лет. Столкновение планетезималий друг с другом привело к тому, что наиболее крупные «з них
начали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего и образовались планеты. А как только
планетные тела оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное
магнитное поле, то начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что
произошло при образовании самих планет.
Так, в теории Альвена и Аррениуса пояс астероидов — это струйный поток, в котором из-за
нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий.
Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на окраине Солнечной системы, за
орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма. В ней механизм
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27
выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образоваться
уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату —
образованию кометных тел.
Антропный принцип в космологии
Анализируя мировые физические постоянные, или константы, такие, как
постоянную Планка, массу протона, заряд электрона, скорость света и другие, ученые
задались вопросом: что случилось бы с Вселенной, если бы значения этих постоянных
изменились?
Например, если бы масса протона возросла на треть, тогда был бы невозможен ядерный синтез, а
следовательно, микро- и макроэволюция Вселенной не пошли бы по тому сценарию, который был
рассмотрен выше. Аналогично этому при равенстве вещества и антивещества Вселенная превратилась бы
в чистое излучение. Негативные последствия могли бы произойти от увеличения или уменьшения
значений других физических постоянных.
В связи с этим невольно возникает впечатление о необъяснимом совпадении значений мировых
констант. Совокупность таких совпадений называют «тонкой подстройкой Вселенной». Является ли
такая подстройка случайной или же она вызвана какими-то неизвестными нам закономерными
процессами?
Признание закономерности приводит к выводу, что на какой-то стадии эволюции неминуемо
должен появиться человек, который в состоянии наблюдать эти процессы и оценивать значения
мировых физических постоянных. Выходит, что Вселенная как-то подстраивается к возможности
появления в будущем человека-наблюдателя. Некоторые сторонники крайних взглядов допускают даже,
что появление такого наблюдателя является целью развития Вселенной и заложено в ней
потенциально с самого начала. Многие ученые, привыкшие рассматривать природу как господство
стихийных сил, считают «тонкую подстройку» чисто случайным совпадением.
Эти дискуссии в 70-х гг. XX в. привели к выдвижению так называемого антропного
принципа, который существует в двух вариантах. Сторонники сильного антропного
принципа, например английский математик Б. Картер, считают, что Вселенная должна
быть такой, чтобы в ней на определенной стадии неминуемо появился наблюдатель.
П. Девис в своей книге «Случайная Вселенная», критикуя сильный вариант
антропного принципа, утверждает, что его сторонники считают, что Вселенная
изначально приспосабливалась для существования жизни. Поэтому и начальные
условия, и законы физики подстраивались так, чтобы гарантировать возникновение
жизни и появление наблюдателя.
Защитники слабого варианта считают, что появление наблюдателя должно быть
связано с определенной стадией эволюции Вселенной, когда сложатся условия, которые
допускают такую возможность.
Таким образом, антропный принцип должен объяснить, почему Вселенная именно
такова, какой мы ее наблюдаем. Поиски такого объяснения предполагают использование не только
философско-мировоззренческих, но и естественнонаучных аргументов. Поэтому антропный принцип
включает разнородное содержание. С философской точки зрения можно утверждать, что
объективно существующие фундаментальные свойства Вселенной таковы, что на
определенном этапе ее эволюции они привели к появлению наблюдателя.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
С естественнонаучной точки зрения возникновение антропного принципа следует
рассматривать в тесной связи с происхождением жизни во Вселенной, а также
принципиальной возможностью появления других, отличных от нашей Вселенной
миров.
По мнению Р. Дикке, жизнь во Вселенной не может появиться раньше, чем сменится первое
поколение звезд, в результате разрушения которых появится вещество, содержащее углерод, кислород и
другие химические элементы, необходимые для возникновения жизни. Только после возникновения звезд
второго поколения начинается отсчет звездного времени и появляется возможность зарождения жизни.
Таким образом, рассматривая зависимость появления человека от универсальных мировых констант, в
частности от возраста Вселенной, Дикке попытался дать биологическое объяснение антропному
принципу.
Дискуссии вокруг антропного принципа в космологии, как нетрудно заметить, приобретают
философский характер, поскольку они касаются проблемы предопределенности развития Вселенной
фундаментальными исходными мировыми константами. Многие исследователи видят в этом возврат к
антропоцентризму во взгляде на мир, признанию существования целей в природе, отход от
революционной точки зрения Коперника, отрицающей выделенное место Земли и человека во
Вселенной. Однако противоположный подход, преувеличивающий роль случайностей в развитии мира и
отрицающий его закономерный характер, также нельзя считать правильным.
По-видимому, существование фундаментальных мировых констант, зависимость от них всего
последующего развития Вселенной требуют также поиска тех общих универсальных закономерностей,
которые детерминируют такое развитие. Обсуждение вопросов взаимосвязи между случайным и
закономерным в эволюции Вселенной приводит нас к анализу ряда других философских и
мировоззренческих проблем, выдвинутых развитием современной космологии.
Философско-мировоззренческие проблемы современной космологии
Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое
мировоззренческое значение. Она во многом изменила наши прежние представления о
научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного
смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не
учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной
или конечной, зависит от конкретных эмпирических исследований, и прежде всего от
определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки
кривизны пространства-времени.
Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть
открытой, при положительной — замкнутой. Однако оценка плотности распределения
материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так
называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической
материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой
или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие научные факты свидетельствуют, повидимому, в пользу модели открытой бесконечной Вселенной. Во всяком случае, такая
модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же
модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как
мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29
современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное
сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что ее эволюция началась с
«большого взрыва». Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности
распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства-времени.
Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, которая определяется
по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с
постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала
«большого взрыва», составило бы 13 млрд лет. Однако есть основания считать, что ее
расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет больше.
Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначальной
«горячей» модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и
температуры в ней никогда не наблюдались и не анализировались в современной
астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти
труднейшие проблемы со временем будут разрешены. Главный же итог современных
космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не
находится в стационарном состоянии, а непрерывно изменяется. Именно в результате
такого процесса происходит эволюция материи, ведущая к появлению все новых и
сложных структур.
Концепция геологических процессов и геосферных оболочек
Геологические процессы являются непосредственным продолжением и развитием тех
процессов, которые развертывались в ходе космической эволюции при образовании
галактик, звездных и планетных систем. Они связаны также с теми химическими
реакциями, которые происходили при образовании планет из протопланетного вещества.
Что же касается внутренних и внешних геосферных оболочек, то они возникли в ходе
длительной эволюции нашей планеты при взаимодействии множества сначала физических
и химических факторов неорганической природы, а потом и процессов, происходящих в
живой природе.
Переходя к обсуждению вопроса об эволюции геологических процессов на нашей
планете, необходимо прежде всего выяснить более общий вопрос о происхождении
Солнечной системы. Является ли она единственной планетной системой, которая возникла в
силу появления в определенном месте пространства и времени маловероятного стечения
весьма благоприятных условий и факторов? Другими словами, можно ли считать
образование Солнечной системы уникальным явлением во Вселенной? Только после этого
можно рассмотреть вопрос об общности и различии геологических процессов на Земле и
других планетах.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Геологические процессы и строение Земли
По своей форме Земля представляет собой геоид, приближающийся геометрически к
трехосному эллипсоиду, или сфероиду. Гравитационное поле Земли обусловливает ее
сферическую форму, а также удерживает атмосферу.
Предполагают, что Земля возникла около 4,7 млрд лет назад из первоначального
газопылевого вещества, которое затем в результате действия сил тяготения,
дифференциации и разогрева образовало несколько геосферных оболочек, которые
различаются по химическому составу, агрегатному состоянию и другим физическим
свойствам.
Обычно различают внутренние оболочки Земли, к которым относят ее ядро, мантию и
земную кору, и внешние оболочки: литосферу, гидросферу и атмосферу. Все эти сферы
непрерывно взаимодействуют, о чем свидетельствует не только продолжающаяся
тектоническая деятельность внутренних оболочек Земли, но и постоянное воздействие
атмосферы и гидросферы, а также позднее возникшей биосферы на процессы,
происходящие в земной коре.
Согласно современным представлениям, в центре Земли находится ядро, внутренняя
часть которого представляет собой твердое тело, на 80% состоящее из железа и на 20% —
из никеля. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии и содержит железо и
жидкую смесь железа и серы.
Такое предположение основывается:
во-первых, на результатах исследования глубинных структур Земли с помощью
сейсмических волн,
во-вторых, отождествлении их состава и структур с составом метеоритов, которые
образовались из того же протопланетного вещества, что и Земля,
в-третьих, изучении магнитного поля Земли в далеком прошлом на основании
измерения остаточной намагниченности земных пород.
Полагают, что на протяжении сотен миллионов лет происходило не только
изменение напряженности магнитного поля Земли, но и смена ее полюсов. Последний
такой случай произошел около 80 млн лет назад. Отсюда был сделан вывод, что
изменения магнитного поля вызываются суточным вращением жидкой части земного
ядра.
Температура внутреннего ядра составляет 4500 градусов по Цельсию, а внешней его
части — 3200°. Именно такая разница температур должна существовать между ними,
чтобы внутреннее ядро Земли оставалось твердым, а внешнее — жидким.
Выше ядра расположена большая по своим размерам сфера земной мантии, которая
по химическому составу и структуре резко отличается от ядра. Мантия состоит в основном
из силикатов, являющихся соединениями кремния, в нижней ее части преобладают, повидимому, хондриты, подобные каменным метеоритам. Верхняя часть мантии
непосредственно связана с земной корой. В ней, во-первых, происходит образование
пород, из которых складывается земная кора; во-вторых, именно кора вместе с частью
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
31
подстилающей мантии образует литосферу. Ее размеры достигают около 100 км, и под ее
давлением литосфера как бы плавает в самой верхней части мантии, которую называют
астеносферой. Она, в свою очередь, опирается на более плотные и вязкие части мантии. В
нижней части мантии преобладают силикаты, которые под давлением сверху приобретают
особо прочную структуру.
Особенности земной коры складываются не только под воздействием внутренних
слоев Земли, но и геологических факторов внешней среды. Известно, что в результате
выветривания и сноса вещество на поверхности континентов полностью обновляется
каждые 100 млн лет, а ее убыль компенсируется за счет поднятия континентов. Благодаря
жизнедеятельности бактерий, растений и животных в атмосфере каждые 7 лет полностью
обновляется углекислота, а через 4000 лет — кислород.
Геологические свойства земной коры непрерывно и постепенно изменяются под
совокупным воздействием трех внешних ее сфер: атмосферы, гидросферы и биосферы.
Такие изменения происходят медленно, постепенно и непрерывно, но на определенной
стадии они приводят к коренным переменам в облике Земли, и прежде всего в земной
коре и на ее поверхности.
Геосферные оболочки и их взаимодействие в ходе эволюции Земли
Обратимся теперь к обсуждению явлений и процессов, которые происходят во
внешней сфере нашей планеты. В настоящее время выделяют три основные геосферы,
или внешние оболочки земли: атмосферу, гидросферу и литосферу. К ним добавляют
еще биосферу, возникшую позже, но играющую первостепенную роль в жизни
человечества. По вопросу о времени и механизме возникновения этих сфер мнения
ученых расходятся, но все они признают эволюционный характер их происхождения под
воздействием не только геологических, но и космических процессов.
Воздушная оболочка Земли — атмосфера, содержащая такой жизненно
необходимый для существования живых организмов химический элемент, как кислород,
по мнению ученых, сформировалась постепенно. Предполагают, что небольшое
количество кислорода в атмосфере появилось первоначально вследствие усиленной
дегазации земных пород, при которой из них выделялись пары воды и газы. Поскольку
температура на поверхности Земли была более низкой, то пары воды конденсировались в
жидкость и образовали ее гидросферу. Атмосфера теряла легкие газы — водород и гелий,
но сохраняла более тяжелые, кислород и азот, хотя исчезало также небольшое количество
молекулярного кислорода.
По гипотезе О.Ю. Шмидта, образование газов и паров воды могло произойти за счет
разогревания земных пород и слоев в результате радиоактивного распада веществ,
содержащихся внутри Земли.
Однако в дальнейшем некоторая часть кислорода в атмосферу стала попадать
благодаря разложению углекислого газа простейшими микроорганизмами, а в
последующем значительное его количество постоянно поступает за счет реакции
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32
фотосинтеза растений. Таким способом возникшая жизнь на нашей планете поддерживала
свое существование. Для понимания этих процессов большое значение имеет выдвинутая
свыше двух десятилетий назад Гея-гипотеза (от греч. Гея — Земля). Она была создана
английским химиком Д. Лавлоком и американским микробиологом Л. Маргулис.
Согласно этой гипотезе, поддержание длительной неравновесности земной атмосферы
обязано жизненным процессам, совершающимся на Земле.
В настоящее время атмосфера у поверхности Земли по химическому составу на 78,1%
состоит из азота, 21% — кислорода, 0,9% — аргона и незначительных долей процента
других газов (водород, углекислый газ, гелий, неон). На расстоянии до 100 км процентное
содержание элементов в атмосфере остается почти постоянным, но с высотой
увеличивается доля легких газов. На очень больших высотах начинают преобладать
водород и гелий.
Плотность воздуха и его давление с высотой убывают, а температура хотя в целом
понижается, но изменяется более сложным образом. В нижних слоях атмосферы
содержится также водяной пар, который
играет существенную роль в процессе обмена теплом и влагой с поверхностью Земли.
Именно этот обмен является основой круговорота воды, вызывая образование облаков и
выпадение осадков. Вследствие неравномерного нагревания воздух в атмосфере находится
в постоянном движении, образуя циклоны и антициклоны, которые определяют погоду на
Земле, а во взаимодействии с водой океанов и морей существенно влияют на климат.
Иногда в результате такого взаимодействия возникают штормы, ураганы, смерчи и другие
разрушительные явления в природе.
На высоте около 25 км расположен озоновый слой, который предохраняет все живое
на Земле от губительных космических, рентгеновских и других жестких излучений.
Атмосфера рассеивает солнечный свет и другие излучения. Она обладает также
собственным электрическим полем, благодаря которому в ней возникают различные
электрические, оптические и звуковые явления.
Гидросфера, занимающая большую часть поверхности Земли (70%), по-видимому,
возникла вместе с атмосферой на очень ранней стадии формирования нашей планеты. В
процессе формирования Земли сначала, по-видимому, из тяжелых частиц образовалось
прото-ядро, которое присоединило к себе вещество, ставшее впоследствии мантией.
Действие гравитационных сил привело к интенсивному сжатию вещества Земли и, как
следствие, к ее уплотнению и уменьшению размеров. Одновременно с этим происходил
процесс усиленной дегазации, при котором выделялись газы и пары воды. Попадая на
поверхность планеты, где температура была более низкой, пары воды конденсировались в
жидкость, легкие газы водород, гелий и некоторые другие покидали планету, а более
тяжелые кислород и азот удерживались гравитационными силами и составили в
дальнейшем атмосферу Земли.
Такие предположения подтверждаются экспериментальными исследованиями и в настоящее время
считаются достаточно обоснованными для объяснения происхождения гидросферы и атмосферы Земли,
хотя происхождение кислорода в атмосфере может быть объяснено и другими причинами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
33
Атмосфера и гидросфера тесно взаимодействуют между собой, что наглядно
подтверждается процессами круговорота воды и воздуха на планете. Одновременно с этим
обе сферы оказывает заметное воздействие на литосферу, медленно, постепенно, но
неуклонно меняя верхнюю часть земной коры. Сама кора состоит в основном из 8
химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия
и калия, причем почти половину ее массы составляет кислород, содержащийся в окислах
металлов.
Значительное влияние на все геологические процессы оказывает позднее
появившаяся биосфера, о которой речь пойдет в следующих лекциях.
Космическая эволюция материи
Разумеется, в стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и
спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи
первоначальной Вселенной. Ведь, кроме тех элементарных частиц, которые
рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль.
Популярной остается также кварковая модель. Такая модель значительно проще
объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии
пока не обнаружены, и, как указывает С. Вайнберг, отсутствие изолированных, свободных
кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается
теоретическая физика.
По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза
пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная
подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она
удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во
время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов,
свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.
Четверть века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как
гигантскую флуктуацию ((от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий
любое колебание или любое периодическое изменение. В квантовой механике —
случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих
систему из большого числа частиц) вакуума и пытается объяснить разрушение в ней
симметрий между веществом и антивеществом, а также между различными силами
взаимодействия частиц и полей.
В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается
раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Согласно такой модели, Вселенная возникла из
первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в
неустойчивом состоянии. Поскольку в этом вакууме, который называют возбужденным
или ложным, господствовали космические силы отталкивания, постольку они и
«раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро
нагревала Вселенную. В конце концов огромное повышение температуры и давления в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей
материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в
дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.
Стандартная гипотеза хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и
первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую
очередь тем, что, во-первых, опирается на важные эмпирические данные
внегалактической астрономии; во-вторых, учитывает фундаментальную роль нарушения
симметрий в процессе формирования все более сложных материальных систем; втретьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании и
усложнении материальных систем.
Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе эволюции Вселенной
Как уже указывалось выше, эволюция Вселенной началась приблизительно 15—20
млрд лет назад, и соответственно она охватывает две стадии: микро- и макроэволюцию.
Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул, а тем самым явилась
предпосылкой для возникновения макроэволюции, в результате которой появились
окружающие нас макротела и их системы вплоть до систем галактических и
внегалактических. Однако для их формирования существенное значение имело
нарушение симметрий между различными физическими взаимодействиями.
В настоящее время различают четыре основных типа физических взаимодействий,
которые мы подробно рассматривали в лекции по строению атома. Здесь мы обсудим,
какую роль они играли в становлении Вселенной.
Сильные взаимодействия, присущие ядерным частицам, в отличие от
гравитационных, действуют на чрезвычайно коротких расстояниях, которые существуют
между частицами в ядрах атомов. Без таких взаимодействий не могли бы начаться
термоядерные реакции синтеза, следовательно, процессы функционирования звезд,
звездных систем и галактик.
Слабые взаимодействия участвуют в радиоактивном распаде, без них, как мы
отмечали, также невозможна была бы деятельность Солнца и других звезд.
Гравитационные взаимодействия, т.е. силы притяжения между массивными
небесными телами, действующие на больших расстояниях, сыграли ключевую роль в
возникновении первых звезд и галактик в далеком прошлом. В настоящее время они
определяют закономерности движений существующих небесных тел. Предполагают, что
первые галактики появились почти миллиард лет после «большого взрыва» в результате
конденсации газообразных облаков, состоящих на три четверти из водорода. В процессе
дальнейшего уплотнения газопылевой материи и последующего ее сжатия в глубинах
звезд и галактик начались термоядерные реакции синтеза и превращения водорода в гелий.
Электромагнитные силы сыграли свою роль при образовании атомов, молекул,
химических соединений, кристаллов и других систем, которые занимают промежуточное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
положение между микромиром и мегамиром, состоящим из космических объектов и
систем.
В ходе эволюции рассмотренные взаимодействия не оставались неизменными. На
первоначальной стадии, когда Вселенная была достаточно горячей, сильные ядерные
взаимодействия были в симметрии с гравитационными, а электромагнитные — со
слабыми взаимодействиями. Только благодаря нарушению симметрии между ядерными и
гравитационными силами стало возможным образование звезд, галактик и других
космических объектов и систем. Полагают, что именно разрушение симметрии между
ядерными и гравитационными силами было самым первым и важнейшим условием
структурирования материи на микро- и макроуровне.
Аналогично этому, нарушение симметрии между электромагнитными и слабыми
взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, форм и систем,
которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению
симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможным не
только возникновение микро- и макрообъектов, но и последующее взаимосвязанное
развитие микроскопической и макроскопической ветвей эволюции.
Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции, поскольку
именно воздействие гравитационных сил привело к образованию звезд, галактик и других
космических объектов и систем. В свою очередь, гравитационные силы и ударные волны
способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд, ядер
галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюция взаимно
обусловливали и дополняли друг друга. Поэтому здесь допустимо говорить об их
коэволюции. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических,
химических, геологических и других систем неорганической природы прочно
укладываются в рамки космической и земной эволюции. Как уже отмечалось выше,
первые атомы водорода и гелия возникли на стадии микроэволюции. Остальные
химические элементы образовались в результате ядерных реакций из дозвездного
вещества, состоящего из легких элементов.
По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения
существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.
Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий,
непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому
неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе вследствие
взаимодействия системы со средой, со временем не исчезают или ослабляются, а,
наоборот, усиливаются. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних
симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. Очевидно, что о
первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех
результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель Вселенной, которая
строится для объяснения современного ее состояния, в частности «разбегания галактик»,
сопровождающегося расширением Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36
словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем
экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о
неизвестных этапах ее развития.
Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно
охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом,
например такими одинаковыми по свойствам, но разноименно заряженными
материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд, и позитрон с
противоположным положительным зарядом. Как возникло подобное нарушение
симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом
антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции,
или уничтожения.
В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели,
представляется следующим образом. Пока температура была далека от точки перехода,
первоначальная смесь вещества и антивещества находилась в тепловом равновесии и
количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между
частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары
фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.
На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и,
наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением
сохранялась симметрия.
По-видимому, этот период существования Вселенной можно образно представить
как периодическую смену темноты светом. Нарушение этой симметрии произошло после
дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры.
Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и
нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области
Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества. Как раз из
этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и
разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул,
кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами,
звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.
Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного,
но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных
линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или
«разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой
фундаментальной идее, как нарушение симметрии в процессе образования все новых и
более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте
современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим,
однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной.
Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд лет,
привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37
макроэволюции Вселенной. Микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и
дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса.
Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является
возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно-историческая
эволюция человечества.
Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые
предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши
интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы из существовавших в
разное время биологических знаний. Поэтому нам особенно важно познакомиться с
ними, во-первых, для того, чтобы выявить в дальнейшем специфику социальных
процессов, а во-вторых, показать ошибочность редукционистских и социал-дарвинистских
взглядов на общество.
Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая
эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к
элементарным формам жизни. Началом предбиотической эволюции было постепенное
возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере
охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических
молекул из молекул неорганических. Такая возможность действительно была доказана
экспериментально, и поэтому указанная гипотеза представляется достаточно
обоснованной. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной
системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже
гипотеза, выдвинутая в 1938 г. А.И. Опариным (1894—1980), хотя и постулировала
процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала
роль среды в дальнейшей эволюции жизни.
Парадигма самоорганизации может помочь лучшему пониманию процессов
происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно
более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли
органические молекулы, а из последних — первые живые молекулы и клетки. Согласно
гипотезе немецкого биофизика М. Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток
тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями
информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических
реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят
себя и, в свою очередь, передают информацию следующему за ним протеину, так что в
результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую Эйген называет
гиперциклом.
В ходе дальнейшей эволюции появляются первые живые клетки: сначала без ядер,
называемые прокариотами, а затем клетки с ядрами — экуариоты.
На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как
показывают современные исследования, существовали материальные системы,
обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38
мутации. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли в результате
самоорганизации структур.
В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения, химических реакций
дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного
процесса в гиперциклах, предложенных Эйгеном. Воспроизведение компонентов
гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается
быстрорастущим метаболизмом, связанным с синтезированием богатых энергией молекул
и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Примечательно, что вирусы,
лишенные способности к метаболизму, внедряются в клеточные организмы и начинают
пользоваться их метаболической системой. Особо следует отметить, что в ходе
самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними неизбежно связан отбор.
Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым в
ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и
крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления, как
заявляли некоторые авторитетные биологи. Нельзя также не отметить, что жизнь сама
готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали
осваивать Землю растения, которые появились примерно 50 млн лет назад.
Такое предположение представляется достаточно обоснованным, так как именно
растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и
отдавать свободный кислород в атмосферу. Затем появились первые животные —
гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате
дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное
разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к
окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду,
главным образом через те экосистемы, в которые они входили.
Уникальна ли Солнечная система во Вселенной?
Представление о случайном характере возникновения Солнечной системы и ее
уникальности в настоящее время подвергается все более аргументированной критике.
Во-первых, сам процесс возникновения и эволюции Вселенной представляет собой
закономерный процесс самоорганизации материи на разных стадиях ее развития. Вряд ли
поэтому можно сомневаться в том, что возникновение звезд, в том числе с окружающими
их планетами, не является процессом случайным и уникальным.
Во-вторых, этот теоретический аргумент сейчас подкрепляется астрономическими
наблюдениями как с помощью новейших наземных инструментов, так и особенно
благодаря запускаемым беспилотным астрономическим спутникам и наблюдениям с
пилотируемых спутников.
Так, например, с помощью американского спутника ИРАС удалось обнаружить у 10%
звезд в окрестности Солнца избыточное инфракрасное излучение, дальнейший анализ
которого привел к заключению, что эти звезды окружены облаками, содержащими мелкие
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
39
твердые частицы. Более тщательное исследование одной из молодых звезд такого типа (Р
Живописца) показало, что вокруг него движется газопылевой диск, размеры которого
превышают 600 млн. километров.
По-видимому, из подобного рода газопылевой материи путем ее конденсации и
возникли планеты нашей Солнечной системы. К сожалению, в настоящее время наука не
располагает более или менее правдоподобными гипотезами ее происхождения, хотя
начиная с XIX в. было выдвинуто большое число таких гипотез.
Трудности, которые возникают на этом пути, обусловлены в первую очередь тем, что
Солнечная система является единственным объектом, который мы в состоянии наблюдать и
изучать. Поэтому ее невозможно исследовать с помощью сравнительного метода, как,
например, изучают звезды, о которых накоплен большой статистический материал на основе
многочисленных наблюдений множества самых различных звезд.
Таким образом, метод исследования Солнечной системы, как и любого единичного
объекта, условно говоря, можно считать уникальным. Но по мере развития науки и
наблюдательной техники, дальнейшего развития космических исследований открываются
новые, зачастую неожиданные факты, которые вселяют уверенность, что проблема
происхождения Солнечной системы будет со временем также решена. Тем не менее даже
те знания, которыми мы располагаем относительно строения Солнечной системы и
движения небесных тел в ней, дают нам возможность понять и объяснить многие
процессы, которые происходят на поверхности и внутри нашей планеты.
Документ
Категория
Знанию сила
Просмотров
30
Размер файла
592 Кб
Теги
лекция, космотологии, 821, проблемы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа