Наверное, нет ни одного человека на всей планете, кто не задумывался о непонятных мерцающих точках на небе, которые видны ночью. Почему Луна ходит вокруг Земли? Все это и даже больше изучает астрономия. Что такое планеты, звезды, кометы, когда будет затмение и почему в океане происходят приливы - на эти и многие другие вопросы отвечает наука. Давайте разберемся в ее становлении и значении для человечества.
Астрономия - это наука о строении и происхождении различных космических тел, небесной механике и развитии вселенной. Название ее происходит от двух древнегреческих слов, первое из которых означает «звезда», а второе - «установление, обычай».
Астрофизика изучает состав и свойства небесных тел. Подразделом ее является звездная астрономия.
Небесная механика отвечает на вопросы о движении и взаимодействии космических объектов.
Космогония занимается происхождением и эволюцией вселенной.
Таким образом, сегодня обычные земные науки с помощью современной техники могут распространить область исследования далеко за пределы нашей планеты.
В космосе, оказывается, находится очень много самых разнообразных тел и объектов. Все они изучаются и составляют, собственно, предмет астрономии. Галактики и звезды, планеты и метеоры, кометы и антивещество - все это лишь сотая доля вопросов, которые ставит перед собой эта дисциплина.
Недавно появилась потрясающая возможность практического С этого времени космонавтика (или астронавтика) гордо стала плечом к плечу с академическими исследователями.
Об этом человечество мечтало давно. Первая известная повесть - «Сомниум», написанная в первой четверти семнадцатого века. И только в двадцатом столетии люди смогли взглянуть на нашу планету со стороны и посетить спутник Земли - Луну.
Темы астрономии не ограничиваются только этими проблемами. Далее мы поговорим более подробно.
Какие же методики применяются для решения задач? Первая и самая древняя из них - наблюдение. Следующие возможности появились только недавно. Это фотография, запуск космических станций и искусственных спутников.
Вопросы, касающиеся происхождения и эволюции вселенной, отдельных объектов, пока не могут быть в достаточной мере изучены. Во-первых, не хватает накопленного материала, а во-вторых, многие тела находятся слишком далеко для точного изучения.
Вначале человечество могло похвастаться лишь обычным визуальным наблюдением за небосводом. Но и такой примитивный метод дал просто потрясающие результаты, о которых мы поговорим немного позже.
Астрономия и космос сегодня связанны как никогда. Объекты изучают с помощью новейшей техники, что позволяет развиваться многим отраслям этой дисциплины. Давайте познакомимся с ними.
Оптический метод. Древнейший вариант наблюдения с помощью невооруженных глаз, при участии биноклей, подзорных труб, телескопов. Сюда же относится и изобретенная недавно фотография.
Следующий раздел касается регистрации инфракрасного излучения в космосе. С его помощью фиксируют невидимые предметы (например, скрытые за газовыми облаками) или состав небесных тел.
Значение астрономии невозможно переоценить, ведь она отвечает на один из вечных вопросов: откуда мы произошли.
Следующие методики исследуют вселенную на предмет гамма-излучений, рентгеновских волн, ультрафиолета.
Также существуют методики, не связанные с электромагнитным излучением. В частности, одна из них базируется на теории нейтринного ядра. Гравитационно-волновая отрасль изучает космос по распространению этих двух действий.
Таким образом, виды наблюдений, известные в нынешнее время, значительно расширили возможности человечества в освоении космоса.
Давайте посмотрим на процесс становления этой науки.
В древности, во времена первобытнообщинного строя, люди только начинали знакомиться с миром и определять явления. Они пытались осознать смену дня и ночи, сезоны года, поведение непонятных вещей, таких как гром, молния, кометы. Что такое Солнце и Луна - тоже пока оставалось загадкой, поэтому их причисляли к божествам.
Однако, несмотря на это, уже в эпоху расцвета Шумерского царства жрецы в зиккуратах делали достаточно сложные вычисления. Они разделили видимые светила на созвездия, выделили в них известный сегодня «зодиакальный пояс», разработали лунный календарь, состоящий из тринадцати месяцев. Также ими был открыт «цикл Метона», правда, немного раньше это сделали китайцы.
Египтяне продолжили и углубили изучение небесных тел. У них вообще сложилась потрясающая ситуация. Река Нил разливается в начале лета, как раз в это время на горизонте начинает появляться которая пряталась в зимние месяцы на небосвод другого полушария.
В Египте впервые начали делить сутки на 24 часа. Но неделя в начале у них была десятидневной, то есть месяц состоял из трех декад.
Однако наибольшее развитие древняя астрономия получила в Китае. Здесь умудрились практически точно рассчитать длину года, могли прогнозировать солнечные и лунные затмения, вели учет комет, пятен на Солнце и прочих необычных явлений. В конце второго тысячелетия до нашей эры появляются первые обсерватории.
История астрономии в нашем понимании невозможна без греческих созвездий и терминов в небесной механике. Хотя вначале эллины и ошибались очень сильно, но со временем они смогли сделать достаточно точные наблюдения. Ошибка, например, состояла в том, что появляющуюся утром и вечером Венеру они считали двумя разными объектами.
Первыми, кто особое внимание уделил этой сфере знаний, были пифагорейцы. Они знали, что Земля имеет форму шара, а день и ночь сменяются, потому что она вращается вокруг своей оси.
Аристотель смог рассчитать окружность нашей планеты, правда, ошибся в большую сторону вдвое, но и такая точность для того времени была высока. Гиппарх смог рассчитать длину года, ввел такие географические понятия, как широта и долгота. Составил таблицы солнечных и лунных затмений. По ним можно было предсказать эти явления с точностью до двух часов. Поучиться бы нашим метеорологам у него!
Последним светилом античного мира был Клавдий Птолемей. Имя этого ученого история астрономии сохранила навсегда. Гениальнейшая ошибка, определившая надолго развитие человечества. Он доказал гипотезу, по которой Земля находится в а все небесные тела вращаются вокруг нее. Благодаря воинственному христианству, пришедшему на смену римскому миру, многие науки были заброшены, такие как астрономия тоже. Что такое и какова окружность Земли, никого не интересовало, больше спорили о том, сколько ангелов пролезет в ушко иглы. Поэтому геоцентрическая схема мира на многие века стала мерилом истины.
Инки рассматривали небосвод немного иначе, чем остальные народы. Если обратиться к термину, то астрономия - это наука о движении и свойствах небесных тел. Индейцы же этого племени в первую очередь выделяли и особо почитали «Великую Небесную Реку» - Млечный путь. На Земле ее продолжением была Вильканота - главная река возле города Куско - столицы инкской империи. Считалось, что Солнце, зайдя на западе, опускалось на дно этой реки и по нему переходило на восточную часть небосклона.
Достоверно известно, что инки выделяли следующие планеты - Луна, Юпитер, Сатурн и Венера, причем без телескопов сделали наблюдения, которые смог повторить только Галилей с помощью оптики.
Обсерваторией у них были двенадцать столбов, которые располагались на пригорке возле столицы. С их помощью определялось положение Солнца на небосводе и фиксировалась смена времен года, месяцев.
Майя же, в отличие от инков, развили знания очень глубоко. Основная масса того, что изучает астрономия сегодня, была им известна. Они сделали очень точный расчет продолжительности года, месяц делили на две недели по тринадцать дней. Началом же хронологии считался 3113 год до нашей эры.
Таким образом, мы видим, что в Древнем мире и среди племен «варваров», каковыми их считали «цивилизованные» европейцы, изучение астрономии было на очень высоком уровне. Давайте посмотрим, чем же могли похвастать в Европе после падения античных государств.
Благодаря усердию инквизиции в позднем средневековье и слабому развитию племен на раннем этапе этого периода многие науки шагнули назад. Если в эпоху античности люди знали, что изучает астрономия, и многие интересовались подобной информацией, то в средние века более развитой стала теология. За разговоры о том, что Земля круглая, а Солнце располагается в центре, можно было сгореть на костре. Подобные слова считались кощунством, а люди назывались еретиками.
Возрождение, как ни странно, пришло с востока через Пиренеи. Арабы принесли в Каталонию знания, сохраненные их предками еще со времен Александра Македонского.
В пятнадцатом века кардинал Кузанский высказывал мнение, что вселенная бесконечна, а Птолемей ошибается. Подобные изречения были богохульными, но очень сильно опережали время. Поэтому их посчитали бредом.
Но революцию совершил Коперник, который перед смертью решился опубликовать исследование всей своей жизни. Он доказал, что в центре находится Солнце, а Земля и остальные планеты вращаются вокруг него.
Это небесные тела, которые вращаются по орбите в космосе. Свое название они получили от древнегреческого слова «странник». Почему так? Потому что древним людям они казались путешествующими звездами. Остальные стоят на обычных местах, а они каждый день передвигаются.
В чем их отличие от других объектов во вселенной? Во-первых, планеты достаточно мелкие. Размер им позволяет очистить свой путь от планетезималей и прочего мусора, но его недостаточно для того, чтобы началась как у звезды.
Во-вторых, благодаря своей массе, они приобретают округлую форму, а вследствие определенных процессов формируют себе плотную поверхность. В-третьих, планеты обычно вращаются в определенной системе вокруг звезды или ее останков.
Древние люди считали эти небесные тела «посланниками» богов или полубожествами, более низкого ранга, чем, например, Луна или Солнце.
И только Галилео Галилей впервые с помощью наблюдений в первые телескопы смог сделать вывод, что в нашей системе все тела ходят по орбитам вокруг Солнца. За что и пострадал от инквизиции, заставившей его замолчать. Но дело было продолжено.
По определению, признанному сегодня большинством, планетой считаются только тела с достаточной массой, которые вращаются вокруг звезды. Остальное - это спутники, астероиды и прочее. С точки зрения науки одиночек в этих рядах нет.
Итак, время, за которое планета делает полный круг по своей орбите вокруг звезды, называется планетарным годом. Наиболее близкое место на ее пути к звезде - это периастр, а самое дальнее - апоастр.
Второе, что важно знать о планетах, это то, что у них наклонена ось относительно орбиты. Благодаря этому при вращении полушария получают разное количество света и радиации от звезд. Так происходит смена сезонов, времени суток, на Земле еще и сформировались климатические зоны.
Немаловажным является то, что планеты кроме своего пути вокруг звезды (за год), еще вращаются вокруг своей оси. В этом случае полный круг называется «сутки».
И последняя особенность подобного небесного тела - это чистая орбита. Для нормального функционирования планета должна по пути, сталкиваясь с различными более мелкими объектами, уничтожить всех «конкурентов» и путешествовать в гордом одиночестве.
В нашей Солнечной системе есть разные планеты. Астрономия всего насчитывает их восемь. Первые четыре относятся к «земной группе» - Меркурий, Венера, Земля, Марс. Остальные делятся на газовых (Юпитер, Сатурн) и ледяных (Уран, Нептун) гигантов.
Мы их видим каждую ночь на небосклоне. Черное поле, усеянное блестящими точками. Они формируют группы, которые называются созвездиями. И все же не зря же в их честь названа целая наука - астрономия. Что такое «звезда»?
Ученые говорят, что невооруженным глазом при достаточно хорошем уровне зрения человек может увидеть по три тысячи небесных объектов в каждом из полушарий.
Они издавна манили человечество своим мерцанием и «неземным» смыслом существования. Давайте разберемся подробнее.
Итак, звезда - это массивный комок газа, некое облако с достаточно высокой плотностью. Внутри его происходят или происходили ранее термоядерные реакции. Масса подобных объектов позволяет им формировать вокруг себя системы.
При изучении этих космических тел ученые выделили несколько способов классификации. Вы, наверное, слышали о «красных карликах», «белых гигантах» и прочих «жителях» вселенной. Итак, на сегодня одна из наиболее универсальных классификаций - типология Моргана-Кинана.
Она подразумевает деление звезд по величине и спектру излучения. По убыванию группы носят названия в виде букв латинского алфавита: O, B, A, F, G, K, M. Чтобы вы немного разобрались в ней и нашли точку отсчета, Солнце, согласно этой классификации, попадает в группу «G».
Откуда же берутся подобные гиганты? Они формируются из наиболее распространенных во вселенной газов - водорода и гелия, а вследствие гравитационной компрессии приобретают окончательную форму и вес.
Наша звезда - это Солнце, а ближайшая к нам - проксима Центавра. Она располагается в системе и находится от нас на расстоянии 270 тысяч расстояний от Земли до Солнца. А это около 39 триллионов километров.
Вообще все звезды измеряются в соответствии с Солнцем (их масса, размер, яркость в спектре). Расстояние же до подобных объектов считается в световых годах или парсеках. Последний равен примерно 3,26 светового года, или 30,85 триллионов километров.
Любители астрономии, несомненно, должны знать и разбираться в этих цифрах.
Звезды, как и все в нашем мире, вселенной, рождаются, развиваются и умирают, в их случае - взрываются. Согласно гарвардской шкале, они делятся по спектру от голубых (молодых) до красных (старых). Наше Солнце относится к желтым, то есть «зрелого возраста».
Также существуют коричневые и белые карлики, красные гиганты, переменные звезды и много других подтипов. Они отличаются уровнем содержания разных металлов. Ведь именно сгорание разных веществ вследствие термоядерных реакций позволяет измерять спектр их излучения.
Также существуют названия "новая", "сверхновая" и "гиперновая". Эти понятия не совсем отражаются в терминах. Звезды - как раз старые, в основном заканчивающее свое существование взрывом. А слова эти обозначают всего лишь то, что их заметили только во время коллапса, до этого они совершенно не фиксировались даже в самые лучшие телескопы.
Если смотреть на небо с Земли, отчетливо видны скопления. Древние люди давали им имена, слагали о них легенды, помещали туда своих богов и героев. Сегодня мы знаем такие названия, как Плеяды, Кассиопея, Пегас, пришедшие к нам от древних греков.
Однако сегодня учеными выделяются Если говорить просто, то представьте, что мы видим на небе не одно Солнце, а два, три или даже больше. Таким образом, существуют двойные, тройные звезды и скопления (там, где светил больше).
Планета вследствие разных причин, например, удаленности от звезды, может «уйти» в открытый космос. В астрономии такое явление получило название «планета-сирота». Хотя большинство ученых все-таки настаивают на том, что это протозвезды.
Интересной особенностью звездного неба является то, что фактически оно не такое, каким мы его видим. Многие объекты уже давно взорвались и перестали существовать, но находились настолько далеко, что мы до сих пор видим свет от вспышки.
Недавно была распространена мода на поиск метеоритов. Как же определить что перед вами: камень или небесный пришелец. На этот вопрос отвечает занимательная астрономия.
В первую очередь метеорит плотнее и тяжелее большинства материалов земного происхождения. Благодаря содержанию железа он имеет магнетические свойства. Также поверхность небесного объекта будет оплавленной, поскольку во время падения он перенес сильнейшую температурную нагрузку вследствие трения с атмосферой Земли.
Мы рассмотрели основные моменты такой науки, как астрономия. Что такое звезды и планеты, историю становления дисциплины и некоторые забавные факты вы узнали из статьи.
Будущее поколение будет рассматривать 80-90-е годы прошлого столетия как период, определивший развитие астрономии в XXI веке. Это действительно так, потому что именно в те годы были получены научные результаты, которым по значимости трудно найти аналоги в истории астрономии XX века. Тот период знаменателен еще тем, что астрономы стали серьезно ставить вопрос о будущем нашей Земли не только в гносеологическом плане, но и для обеспечения безопасности всего человечества. К сожалению, диапазон мнений, особенно в массовой прессе, по поводу возможной опасности очень широк - от откровенно панических до полного игнорирования проблемы. Поэтому мы попытаемся дать краткое изложение фактического состояния дел.ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЗЕМЛИ И СОЛНЦА
Астрономы еще не выработали окончательного мнения о детальных процессах образования Солнечной системы, поскольку ни одна из гипотез не способна объяснить многие ее особенности. Но в чем почти все астрономы единодушны, так это в том, что звезда и ее планетная система образуются из единого газопылевого облака, причем этот процесс может быть объяснен известными законами физики . Предполагается, что это облако имело вращение. В центре такого облака 4,7 млрд лет назад образовалось сгущение, которое вследствие закона всемирного тяготения начало сжиматься и притягивать к себе окружающие частицы. При достижении этим сгущением определенной массы в центре создаются большие температуры и давления, что приводит к выделению громадной энергии за счет термоядерных реакций превращения четырех протонов в атом гелия 4H+ He. Объект в этот момент вступает в ответственную стадию своей жизни - стадию звезды.
Вращение облака приводит к появлению вращающегося диска около звезды. В тех областях, где среднее расстояние между частицами диска мало, происходит их столкновение, что вызывает образование так называемых планетезималей размером примерно в 1 км, а затем и планет около звезды. Образование Земли потребовало около 50 млн лет. Часть несконденсировавшегося вещества диска (твердые и ледяные частицы) при движении могла падать на поверхность планет. Для Земли этот процесс длился примерно 700 тыс. лет. В результате масса Земли постоянно увеличивалась и главное - пополнялась водой и органическими соединениями. Около 2 млрд лет назад начали появляться примитивные растения, а спустя 1 млрд лет образовалась нынешняя азотно-кислородная атмосфера. Около 200 млн лет назад появились простейшие млекопитающие, 4 млн лет назад на ноги встал австралопитек, а 35 тыс. лет назад появился непосредственный предок Homo sapiens.
Для нас главным является следующее: можно ли описанную схему опровергнуть или подтвердить наблюдениями, если проверить, в частности, такие ее следствия:
а) около молодых звезд должны быть обнаружены протопланетные диски;
б) около звезд, которые находятся на более поздней стадии развития, необходимо обнаружить планетные системы;
в) поскольку не все вещество протопланетного диска конденсируется в большие тела, особенно на периферии диска, то в Солнечной системе должны существовать остатки такого вещества.
Если бы данная статья писалась лет 30 назад, то автору трудно было бы найти такие подтверждения, так как существовавшие тогда телескопы и приемная аппаратура не могли зарегистрировать упомянутые выше объекты из-за их слабого блеска. И лишь в последнее десятилетие благодаря использованию космических телескопов, повышению точности астрономических измерений большинство предсказаний теории получили полное подтверждение.
Протопланетные диски. Поскольку в таких дисках есть пыль, то в излучении диска и звезды должен наблюдаться инфракрасный избыток цвета. Такие избытки обнаружены у нескольких звезд, в частности у яркой звезды северного полушария Веги. Для некоторых звезд Космическим телескопом им. Э. Хаббла были получены изображения таких дисков, например у многих звезд в туманности Ориона. Число открываемых дисков около звезд постоянно растет.
Планеты около звезд. Чтобы наблюдать традиционными методами планеты около звезд, необходимо создать телескопы очень больших диаметров - порядка сотни метров. Создание таких телескопов - это совершенно безнадежное дело как с технической, так и с финансовой точки зрения. Поэтому астрономы нашли выход из положения, разработав косвенные методы обнаружения планет. Известно, что два гравитационно связанных тела (звезда и планета) вращаются вокруг общего центра тяжести. Такое движение звезды можно установить лишь на основе чрезвычайно точных методов наблюдений. Такие методы на основе современной технологии были разработаны в самые последние годы, и для знакомства с ними мы отсылаем читателя к статье А.М. Черепащука .
С использованием этих методов сразу же наблюдали около 700 звезд. Результат превзошел самые лучшие ожидания. К концу января 2001 года открыты 63 планеты у 50 звезд. Основные сведения о планетах можно найти в статье .
Открытие трансплутоновых комет. В 1993 году были открыты объекты 1992QB и 1993FW, расположенные за пределами орбиты Плутона. Это открытие может иметь большие последствия, так как оно подтвердило существование на дальней периферии нашей Солнечной системы на расстоянии более 50 а.е. так называемого пояса Койпера и далее облака Оорта, где сосредоточились сотни миллионов комет, сохранившихся в течение 4,5 млрд лет и являющихся остатками того вещества, которое не смогло сконденсироваться в планеты.
АСТРОНОМИЧЕСКОЕ ПРОШЛОЕ ЗЕМЛИ
После своего образования Земля прошла долгий путь развития. Было установлено, что естественный ход ее развития нарушался вследствие определенных геологических, климатических или биологических причин, приводящих к исчезновению растительности и животного мира. Причины большей части этих кризисов учеными объясняются как океаническими явлениями (понижение солености океанов, изменение химического состава в сторону увеличения токсичных элементов в водах океана и т.д.), так и земными явлениями (парниковый эффект, вулканическая деятельность и т.д.). В 50-х годах XX века делали попытки объяснить некоторые кризисы и астрономическими факторами - на основе многих астрономических явлений, зарегистрированных наблюдателями и описанных в исторических документах. Следует отметить, что за период в 2000 лет (c 200 года до н.э. по 1800 год н.э.) в различных источниках было зафиксировано 1124 важных астрономических факта, часть из которых можно связать с кризисными явлениями.
В настоящее время существует мнение, что кризис, имевший место 65 млн лет назад, когда исчезли рифовые кораллы и вымерли динозавры, был вызван столкновением крупного небесного тела (астероида) с Землей. Долгое время астрономы и геологи искали подтверждение этого явления, пока не обнаружили большой кратер на полуострове Юкатан в Мексике диаметром в 300 км. Подсчеты показали, что для создания такого кратера был необходим взрыв, эквивалентный 50 млн т тротила (или 2500 атомных бомб, упавших на Хиросиму; взрыв 1 т тротила соответствует выделению энергии в 4 " 1016 эрг). Такая энергия могла бы выделиться при столкновении с астероидом размером в 10 км и имевшим скорость в 15 км/с. Этот взрыв поднял в атмосферу пыль, которая полностью затмила Солнце, что привело к понижению температуры Земли с последующим вымиранием живого. Оценка возраста этого кратера привела к цифре в 65 млн лет, что совпадает с моментом одного из биотических кризисов в развитии Земли.
Далее в 1994 году астрономы предсказали теоретически, а затем и пронаблюдали столкновение кометы Шумейкеров-Леви с Юпитером. Были ли подобные столкновения комет с Землей? Согласно американскому ученому Массе, за последние 6 тыс. лет подобные столкновения были. Особенно катастрофическим было падение кометы в океан около Антарктиды в 2802 году до н.э.
Таким образом, все изложенное выше приводит к следующим заключениям:
* астрономы имеют надежные подтверждения имеющимся представлениям о прошлом развитии Солнечной системы;
* это позволяет вполне определенно судить о будущем Солнечной системы. В частности, некоторые описанные явления ставят серьезный вопрос: несет ли Космос опасность для будущего нашей Земли?
АСТРОНОМИЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ ЗЕМЛИ
Из изложенного ясно, что наибольшие неприятности для человечества могут вызвать движущиеся малые небесные тела. Рассмотрим, насколько велик шанс столкновения.
Астероиды (или малые планеты). Основные характеристики этих объектов таковы: массы 1 г-1023 г, размеры 1 см-1000 км, средние скорости при приближении к Земле 10 км/с, кинетическая энергия объектов 5 " 109-5 " 1030 эрг.
Астрономы установили, что в Солнечной системе число астероидов с диаметром больше 1 км около 30 тыс., меньших по размеру астероидов существенно больше - порядка сотни миллионов. Большая часть астероидов вращается по орбитам, расположенным между орбитами Марса и Юпитера, образуя так называемый пояс астероидов. Эти астероиды, естественно, не несут опасности столкновения с Землей.
Но несколько тысяч астероидов с диаметром более 1 км имеют орбиты, пересекающие орбиту Земли (рис. 2). Появление таких астероидов астрономы объясняют образованием зон неустойчивости в поясе астероидов. Приведем некоторые примеры.
Астероид Икар в 1968 году приблизился к Земле на расстояние 6,36 млн км. Если бы Икар столкнулся с Землей, то произошел бы взрыв, эквивалентный взрыву 100 Мт тротила, или взрыву нескольких атомных бомб. Другой астероид - 1991ВА диаметром в 9 м прошел 17 января 1991 года на расстоянии всего в 170 тыс. км от Земли. Нетрудно подсчитать, что разница во времени у Земли и астероида прохождения точки пересечения составляет всего 1,5 часа. Астероид 1994XM1 9 декабря 1994 года пролетел над территорией России на расстоянии всего в 105 тыс. км.
Существуют также примеры падения астероидов на поверхность Земли. Есть определенное мнение, что в 1908 году в Сибири произошло столкновение астероида диаметром 90 м с последующим взрывом, эквивалентным взрыву примерно 20 Мт тротила. Если бы это тело упало на три часа позже, то оно уничтожило бы Москву.
Используя данные об ударных кратерах на поверхности Земли, планет и их спутников, астрономы пришли к следующим оценкам:
* столкновения с крупными астероидами, которые могут привести к глобальным катастрофам в развитии Земли, происходят примерно раз в 500 тыс. лет;
* столкновения с малыми астероидами происходят чаще (каждые 300 лет), но последствия столкновений носят лишь локальный характер.
На основе орбит уже изученных астероидов астрономы составили список потенциально опасных известных астероидов, орбиты которых пройдут на критическом расстоянии от Земли до конца XXI века. Этот список насчитывает около 300 объектов, орбиты которых пересекают орбиту Земли. Самое близкое прохождение на расстоянии в 880 тыс. км ожидается у астероида Хатор в октябре 2086 года.
В целом же астрономы считают, что число опасных и пока необнаруженных опасных астероидов примерно 2500. Именно эти таинственные странники и будут составлять главную опасность будущему Земли.
Кометы. Их типичные характеристики таковы: массы 1014-1019 г, размеры ядра 10 км, размеры хвоста 10 млн км, скорости движения 10 км/с, кинетическая энергия 1023-1028 эрг.
Кометы отличаются от астероидов своим строением: если астероиды представляют собой твердые глыбы, то ядра комет - это скопление "грязного льда". Кроме того, кометы в отличие от астероидов имеют протяженные газовые хвосты. Но прохождение Земли через такие хвосты не представляет какой-либо опасности из-за их низкой плотности. Например, при прохождении Земли через хвост кометы Галлея 18 мая 1910 года не было замечено каких-либо аномалий на поверхности Земли.
Но проблема опасности столкновения с ядром кометы стала очень актуальной после 1994 года в связи с падением различных частей кометы Шумейкеров-Леви на поверхность Юпитера. Возникшие при этом взрывы были оценены в величину, эквивалентную взрыву 60 000 Мт тротила, что равно взрыву нескольких миллионов атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
Астрономы подсчитали, что кометы проходят между Землей и Луной каждые 100 лет, а некоторые падают на Землю примерно раз в каждые 100 тыс. лет. Было также оценено, что в течение средней жизни человека вероятность столкновения с кометой равна 1/10 000.
Исследования астрономов показали, что за последние 2400 лет было 20 близких (меньших 15 млн км) прохождений 18 комет. Самое близкое прохождение на расстоянии в 2,3 млн км было у кометы Лекселя в июле 1770 года. Подсчитано, что в ближайшие 30 лет близкие прохождения будут у трех изученных комет. Но, к счастью, минимальные расстояния будут не столь опасными - более 9 млн км.
Следует иметь в виду, что пока речь шла об известных кометах. Выше было сказано об открытии трансплутоновых комет. Эти кометы могут залетать во внутренние области Солнечной системы, в частности, пересекаясь с орбитой Земли. Не исключено, что эти еще не открытые кометы и могут нести в себе опасность.
АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ
Но, увы, не только столкновения несут в себе глобальные последствия для Земли. Отметим кратко лишь две возможные опасности, исходящие из дальнего космоса.
Будущая жизнь Солнца. Астрофизики могут рассчитать все этапы жизни звезды . Согласно расчетам, например, через 7,9 млрд лет Солнце превратится в красный сверхгигант, увеличив свой размер в 170 раз, поглотив при этом Меркурий. Нетрудно подсчитать, что на нашем небе Солнце будет выглядеть как красный шар, занимающий половину небесной сферы. В результате температура на Земле повысится, начнется интенсивное испарение океанов, из-за чего увеличится непрозрачность атмосферы, что вызовет так называемый парниковый эффект: Земля станет очень горячей.
Дальнейшее раздувание Солнца приведет к тому, что и Земля уже будет вращаться фактически внутри Солнца. Согласно этому сценарию, Земле уготовлена не очень приятная участь. Трение Земли и частиц газа Солнца будет уменьшать орбитальную скорость Земли, в результате Земля по спирали будет падать к центральным областям Солнца. Это приведет к тому, что Солнце нагреет Землю до чрезвычайно высоких температур, превратив ее в раскаленные скалы без всяких признаков наличия воды в океанах и, естественно, жизни.
Вспышки сверхновых. Другие звезды, которые имеют большую массу, чем Солнце, живут несколько иначе. На определенной стадии они могут взорваться, выделив при этом чудовищную энергию (астрономы называют такой процесс вспышкой сверхновой). Было выяснено, что имеются две причины таких вспышек.
На последней стадии жизни у звезды прекращаются ядерные реакции и она превращается в плотный объект - белый карлик (БК). Но если около БК имеется соседняя звезда, то вещество этой звезды может перетекать на БК. При этом на поверхности БК опять начинаются термоядерные реакции, выделяющие громадную энергию. Такой механизм вспышки работает для сверхновых типа SNI.
Другой тип сверхновых (SNII) объясняется эволюцией звезды массы более десяти масс Солнца. Термоядерные реакции сопровождаются превращением водорода в более тяжелые элементы. На каждой стадии выделяется энергия, нагревающая звезду. Tеория предсказывает, что при достижении образования железа последовательность реакций прекращается. Внутренняя часть железного ядра в течение секунды сжимается. Когда внутренняя часть звезды достигает ядерных плотностей, она отскакивает от центра, сталкиваясь с еще коллапсирующей внешней частью ядра. Возникающая ударная волна разносит всю звезду. Выделяемая энергия за 1 с будет чудовищной, равной энергии, излученной 100 солнцами за 109 лет.
Некоторые астрономы (И.С. Шкловский и Ф.Н. Краcовский) полагали, что такой взрыв мог произойти у близкой к Солнцу звезды 65 млн лет назад. Согласно сценарию, описанному этими авторами, выброшенное вещество после взрыва через несколько тысяч лет достигло Земли. Оно содержало релятивистские частицы, которые при попадании в атмосферу Земли вызвали интенсивный поток вторичных космических частиц, которые при достижении поверхности Земли повысили радиоактивность в 100 раз. Это неизбежно привело бы к мутациям в живых организмах с последующим их исчезновением.
Вероятность глобального влияния на Землю такого взрыва в будущем зависит, во-первых, от того, насколько часто происходят вспышки сверхновых в нашей Галактике, и, во-вторых, от критического расстояния r до звезды. Основываясь на наблюдаемых данных, известный специалист по статистике звезд С. Ван дер Берг пришел к выводу, что за каждый 1 млрд лет в объеме нашей Галактики в 1 кпк3 происходят в среднем 150 000 вспышек сверхновых. Если взять за критическое расстояние до звезды в r = 10 световых лет, то легко получить, что, для того чтобы в объеме такого радиуса произошла одна вспышка, необходимо время в 60 млрд лет. Эта величина существенно больше возраста Земли. Таким образом, маловероятно, что биотические кризисы можно объяснить явлением вспышки. В будущем такая вспышка также не очень вероятна. Однако все же следует отметить, что приведенные рассуждения основаны на средних оценках. Для примера отметим, что звезда Бетельгейзе в созвездии Ориона может вспыхнуть через несколько тысяч лет. Другая звезда - h Car вспыхнет через 10 000 лет. К счастью, расстояния до них достаточно велики - 650 и 10 000 световых лет.
Гамма-вспышки. Около 30 лет назад астрономы с помощью спутниковых наблюдений установили, что в различных точках небесной сферы наблюдаются объекты, которые вспыхивают в гамма-диапазоне (рис. 3) с длительностью вспышек от долей секунды до нескольких минут. Последние оценки расстояний до этих объектов свидетельствуют, что они располагаются далеко за пределами нашей Галактики. Это означает, что энергия излучения в гамма-диапазоне у этих объектов фантастически велика - порядка 1050-1052 эрг.
Наиболее распространенная гипотеза о механизме вспышек, предложенная С.И. Блинниковым и др., - это гипотеза о слиянии двух нейтронных звезд - последней стадии жизни двойной системы, состоявшей из двух массивных звезд. Расчеты астрофизиков показали, что при таком слиянии выделяется энергия, эквивалентная энергии излучения миллиарда галактик, подобных нашей. Об этих объектах более подробно можно прочитать в .
Но такие пары нейтронных звезд могут существовать не только на космологическом расстоянии, но и внутри нашей Галактики. Астрофизики подсчитали, что в нашей Галактике одно слияние пары происходит каждые 2-3 млн лет. Сейчас надежно установлено наличие трех таких пар. Если одна из них (PSR B2127+11C) начнет сливаться, то последствия этого для Земли будут очень серьезны, правда, более чем через 220 млн лет. Прежде всего сильное гамма-излучение уничтожит озоновый слой атмосферы Земли. Но главное в том, что при вспышке образуются энергичные космические частицы, которые, достигнув атмосферы Земли, будут создавать вторичные космические частицы. Эти частицы дойдут до поверхности Земли и даже глубже, превратив ее в радиоактивное кладбище.
Все приведенные выше факты ставят главный вопрос.
ЧТО ДЕЛАТЬ?
Ответ на этот вопрос применительно к малым телам Солнечной системы должен содержать два аспекта:
астрономический - необходимо заблаговременно открыть неизвестные и потенциально опасные объекты на как можно большем расстоянии от Земли, вычислить их точные орбиты и предсказать момент возможной опасности;
технический - необходимо принять решения и их реализовать, чтобы избежать возможного столкновения.
Для решения астрономической части сейчас создается сеть телескопов с диаметром около 2 м. Это позволит обнаружить примерно 90% опасных астероидов на расстоянии до 200 млн км и 35% опасных комет на расстоянии до 500 млн км. Поскольку скорости движения объектов порядка 10 км/с, то это позволит иметь резерв времени в несколько месяцев для принятия решения.
Точность теоретических расчетов орбит и моментов столкновений прежде всего определяется количеством установленных положений на небе опасных объектов. Эту задачу можно решить с помощью указанной выше сети телескопов. Далее при расчете орбит необходимо тщательно учесть возмущения в движении небесных тел, вызванные воздействием всех планет Солнечной системы. Эта проблема уже решена астрономами с высокой точностью.
Труднее всего учесть негравитационные силы, влияющие на движение объектов. Эти силы обусловлены многими причинами. Астероиды и кометы двигаются в материальной среде (межпланетная плазма, электромагнитное поле), испытывая при этом сопротивление. Они также испытывают влияние сил светового давления от Солнца. В результате тела могут отклониться от чисто кеплеровской орбиты, то есть вычисленной с учетом только гравитационного взаимодействия тела с Солнцем (и планетами).
Технический аспект проблемы более сложный, и имеются по существу пока три варианта. Один предусматривает уничтожение опасного объекта путем засылки на него ракеты с ядерной бомбой. Расчеты показали, что для уничтожения астероида диаметром в 1 км необходим взрыв в 4 " 1019 эрг . Но этот проект может принести непредсказуемые экологические последствия, связанные с засорением космоса ядерными отходами.
Есть вариант попытки отклонения движения объекта от своей естественной орбиты за счет сообщения ему дополнительного импульса, скажем за счет посадки на его поверхность ракеты с мощной энергетической установкой. На сегодня оба таких проекта пока трудноосуществимы: для этого необходимо иметь ракеты с большими массами и большими скоростями движения, чем имеются в настоящее время. Но в принципе это совсем не безнадежное дело для технологии XXI века.
Третий вариант основан на использовании негравитационных эффектов в движении небесных тел. Например, ядра комет можно отклонить от первоначальной орбиты, используя сублимационный способ, суть которого такова . Орбита кометы в некоторой степени определяется и силами светового давления от Солнца, вызывающего образование хвоста. Если уничтожить или ослабить пылевую поверхность ядра, то
усиленное истечение вещества из ядра может придать комете импульс в нужном направлении.
Хотя астрофизическая опасность ожидает Землю в отдаленном будущем, уже сейчас имеются довольно интересные идеи избежать ее. Некоторые из них кажутся даже фантастическими. В одном варианте предлагается создать вокруг Земли щит, используя вещество астероидов или Луны. Например, масса астероида Церес вполне достаточна для создания диска около Земли толщиной в 1 км. Он вполне может экранировать потоки частиц и излучения от сверхновых и гамма-вспышек.
В заключение отметим, что нет оснований для апокалиптического фатализма. Человечество уже достигло достаточно высокого уровня науки и технологии, чтобы предугадать опасность. Мало того, оно уже находится на пороге создания эффективной системы защиты. Можно лишь надеяться, что человечество, осознав предстоящую опасность, предпримет усилия для дальнейшего развития науки и необходимой технологии вместо того, чтобы решать внутренние конфликты, бездумно расходуя свой интеллект и финансовые средства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сурдин В.Г. Рождение звезд. М.: УРСС, 1997. 207 с.
2.Черепащук А.М. Планеты во Вселенной // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. № 4. С. 76-82 .
3. Киппенхан Р. 100 миллиардов Солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд. М.: Мир, 1990. 293 с.
4. Липунов В.М. "Военная тайна" астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 5. С. 83-89.
5. Курт В.Г. Экспериментальные методы изучения космических гамма-всплесков // Там же. 1998. № 6. С. 71-76.
6. Околоземная астрономия (космический мусор). М.: Космосинформ, 1998. 277 с.
Рецензент статьи А.М. Черепащук
* * *
Наиль Абдуллович Сахибуллин, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой астрономии Казанского государственного университета, директор Астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта. Лауреат премии РАН. Действительный член Академии наук Татарстана. Область научных интересов - астрофизика, физика звездных атмосфер. Автор 80 научных публикаций и одной монографии.
Древние мудрецы знали о Времени и временах ВСЁ, что можно было знать в данном Космосе. Время - понятие настолько относительное, что даже на Марсе, ближайшей к нам планете, время земное бессмысленно. Так говорит Древняя мудрость. И ещё она учит: то, что на Земле является настоящим, в Космосе может быть... будущим, а прошлое - настоящим.
Древнейший закон Аналогии утверждает, что в мире всё отражает всё - как вверху, так внизу. И для малого, и для великого законы Космоса едины - нет ни малого, ни большого. Как и физики, изучающие сверхмалые объекты Вселенной и открывшие Тонкие и Сверхтонкие миры (в которых, как оказалось, нет ни времени, ни пространства), так же и астрофизики, изучающие сверхбольшие объекты Вселенной, экспериментально доказали, что Время Едино.
Это выдающееся открытие в астрофизике сделал в Пулковской обсерватории, находящейся под Санкт-Петребургом (а в то время под Ленинградом), выдающийся советский учёный Николай Козырев.
Николай Козырев(1908-1983)
Вначале телескоп Козырева был направлен в ту точку на небе, где была видимая звезда. Чувствительный прибор, улавливающий излучения звезды, конечно же, зарегистрировал сигнал. Но ведь это же была... не реальная звезда! Это был лишь... мираж! Глядя на звезды, мы, фактически, видим не их, а лишь свет, идущий от них. Но этот физический свет распространяется не мгновенно. Сегодняшнее положение в пространстве любой видимой звезды - это всего лишь ее... прошлое. На самом деле той звезды , на которую направлял свой телескоп Козырев, уже давным-давно не было... на том месте в пространстве, где она была видна сейчас.
Разумеется, астрофизик это знал. Согласно его вычислениям, эта звезда сегодня должна была находиться в другой точке пространства. И Козырев направил телескоп в точку расчета - в “пустоту”. Оттуда свет ещё до Земли не дошел, а потому наблюдатель физическими глазами ещё не видел звезду, хотя она уже давным-давно... светила.
Глаз звезду не видел, но чуткие приборы почуяли её излучение. Таким образом сигнал, излучаемый “пустым местом”, был зарегистрирован!
Теперь Козырев направил телескоп в то место, где по расчетам та же звезда окажется в... далеком будущем. То есть, телескоп направили в ту точку пространства, где звезда окажется в то время, когда до неё дойдет световой сигнал от Земли, посланный в момент наблюдения. Приборы снова... зарегистрировали сигнал. А ведь там звезды ещё... не было! И, значит, она ещё не испустила ни одного луча! Но приборы свидетельствовали: излучение есть! Будущая звезда... есть уже сейчас! И находится она именно на месте, точно вычисленном земным ученым! Не существующая звезда... существовала. И она уже светила.
Вывод учёного был поистине фантастическим для материалистической науки: Прошлое, Настоящее и Будущее существуют одновременно!
Значит, вопреки всем законам классической физики, можно-таки войти в контакт и с Прошлым, и с Будущим?
Конструкция Мироздания, построенная узкоматериалистической наукой, затрещала так, что уже было ясно, еще одно прикосновение “мистики”, и она развалится окончательно.
Опыты Николая Козырева были скрупулезнейшим образом проверены группой И.Егановой, работавшей под руководством академика М.Лаврентьева. Результаты совпали. В 1991 году результаты работ Н. Козырева были подтверждены опытами А.Пугача (АН Украины). В других странах опыты Козырева были также многократно повторены с теми же положительными результатами.
Знают ли об этом выдающемся открытии астрофизики в школах? “Увы, нет!” А ведь открытия, о которых мы говорим, в мировоззренческой науке сродни 12-балльному землетрясению, когда реки уже текут вспять. То есть, пересмотр мировоззрения при этом требуется уже не частичный, а принципиальный. Подобные открытия равносильны тому потрясению, когда убежденный атеист вдруг меняет свое убеждение на прямо противоположное, становясь убежденным теистом. Причем, не тем, который слепо верит в человекоподобного Бога. Образованный человек ХХ века начал приближаться именно к Восточному Пантеизму, утверждавшему, в частности, и Единство Прошлого, Настоящего и Будущего. Достаточно взглянуть хотя бы на древнейший символ, ставший символом Пакта Рериха на Знамени Мира - Знак Триединства: на белом полотнище - три круга в одном Большом Круге. Один из аспектов этого знака - единство Трех Времён в Вечности...
Но как бывало во все века, и этот пророк ХХ века по имени Николай Козырев не удостоился чести в своем Отечестве. Мало того. Благодаря своему открытию, источающему такой пугающий аромат восточной мистики, великий ученый оказался... диссидентом, человеком неугодным. Настолько неугодным и опасным, что друзьям великого ученого не позволено было поместить на страницах советской прессы даже достойный... некролог о нем.
О величайшем открытии Николая Козырева какая-то часть советской общественности узнала уже после его смерти, наступившей в 1983 году.
Лариса Дмитриева (отрывок из книги)
Источник: сайт "Тайная Доктрина Востока в творчестве Ларисы Дмитриевой
Для информации: Лариса Дмитриева - философ, писатель, поэт, журналист, исследователь творческого наследия семьи Рерихов и Елены Блаватской.
************************************
Ещё один доклад, посвящённый открытию Николая Козырева
О ЧЕМ РАССКАЗАЛИ ЗВЕЗДЫ
(астрономические наблюдения Н.А.Козырева - путь к осознанию реальности "энергетического" мира)
2 сентября 2008 года исполнилось 100 лет со дня рождения Николая Александровича Козырева, выдающегося русского исследователя проблемы Времени.
В 50-е годы ученый пришел к мысли, что время является активным атрибутом мироздания, питающим своей энергией все структуры Вселенной. Основное свойство Времени - направленность против энтропии (хаоса). Для физиков XX века время - это только геометрическая характеристика, позволяющая располагать события в определенном порядке. Поэтому Вселенной грозит тепловая смерть, звезды живут за счет энергии распада атомов, а Луна является мертвым телом. Но для Козырева идея направленности времени вытекает из самого факта существования жизни во всех ее проявлениях. Действительно, существо жизни заключается в наличии процессов, идущих против энтропии, т.е. беспорядка. А жизнь любого организма - это совокупность великого множества процессов, каждый из которых обладает собственным темпом времени, и все времена каждой из структур Вселенной образуют Единое Время Вселенной.
Козырев занимался этой сложнейшей проблемой в течение 30 лет до самой смерти (27 февраля 1983 г.) Он выдерживал и прямое отрицание достигнутых результатов со стороны ученых, и замаскированный скептицизм, но твердо верил, что истина восторжествует. Для оптимизма у него были свои основания. Так, им обнаружены извержения лунного кратера Альфонс. Согласнее современной астрономии, Луна закончила свою эволюцию и светит лишь отраженным солнечным светом, а поэтому утверждение Козырева о возможности вулканизма на Луне долгое время воспринималось с издевкой. Но это явление было предсказано им на основании теории Времени, согласно которой Луна и Земля - причинно-следственная пара, в которой компоненты обмениваются энергиями. Год за годом он следил в телескоп за Луной и наконец 3 ноября 1958 года обнаружил свечение в центре кратера Альфонс. Проявляя фотопластинку, Козырев заметил, что полосы свечения соответствуют выходу газов из недр Луны, а годом позже установил выброс пепла. Сообщение Козырева вызвало волну недоверия в научных кругах, а директор Лунно-планотной обсерватории (США) даже объявил его шарлатаном. Правда, позднее он приехал в Пулково, лично убедился в подлинности спектрограммы и заявил: "Ради этого стоило пересечь океан". Спор продолжался еще долго, и только в канун 1970 года приоритет Козырева в открытии вулканов на Луне был зафиксирован, и Международная Астронавтическая Академия наградила его именной Золотой медалью с бриллиантовым изображением семи звезд ковша Большой Медведицы. Примеров его провидения можно привести множество, ибо ученый принадлежал к тем из наших современников, которые опередили свое время.
Исследования Н.А.Козырева - это демонстрация проявлений "нематериального", или "энергетического", мира в привычном материальном мире. И то, что Козырев называет Временем, религиозные люди обычно называют словом Бог.
Через осмысление результатов экспериментов выдающегося русского астронома Николая Александровича КОЗЫРЕВА, касающихся физической природы Времени, авторы статьи подводят читателя к пониманию того, что привычный материальный мир, воспринимаемый подавляющим большинством людей как единственная реальность, есть неотъемлемая часть более общего "энергетического" мира (в Учении Живой Этики, в "Тайной Доктрине" именуемого мирами Огненным и тонкими).
Весной и осенью 1977 и 1978 гг. Николай Александрович Козырев провел ряд астрономических наблюдений на 125-сантиметровом зеркальном телескопе Крымской Астрофизической обсерватории. Наблюдались 18 звезд наления в созвездиях Геркулеса и Водолея и другая галактика туманность Андромеды. В качестве принимающего устройства (датчика) в (фокальной плоскости телескопа был установлен резистор (сопротивление). Наблюдения показали, что изменение (увеличение) электропроводности резистора происходит, когда телескоп наведен на одну из трех точек неба, совпадающую с тремя положениями какоголибо космического объекта (звезды, шарового скопления звезд, галактики), соответствующими положениям этого объекта в прошлом, настоящем и будущем. В дальнейшем будем называть их Прошлым, Настоящим (Истинным) и Будущим изображениями объекта.
Прошлое совпадает с видимым положением объекта на небе. Истинное изображение отвечает положению объекта в настоящий момент времени по часам наблюдателя, т.е. собственного времени наблюдателя. Будущее соответствует положению, которое будет занимать объект, когда к нему придет сигнал, посланнный с Земли в момент наблюдения и распространяющиися со скоростью 300 000 км/ c ек. Все три изображения следуют вдоль траектории собственного движения объекта: в центре находится Истинное (Настоящее) положение, а Прошлое и Будущее располагаются симметрично по обе стороны от Настоящего.
Ничего подобного раньше не знала наблюдательная астрономия, имеющая дело лишь с видимыми изображениями объектов. (Будем называть видимыми изображения не только в оптическом, но и в любом диапазоне электромагнитного излучения. Оно соответствует тому положению на небе, которое объект занимал в момент, когда еще только испустил сигнал, распространяющийся со скоростью света). Для астрономов видимое положение удаленного космического объекта - это наблюдаемый с Земли его "прошлый образ" в оптическом диапазоне электромагнитного излучения. Так что наблюдательная астрономия имеет дело с "прошлыми образами" различных объектов Вселенной - от планет до самых удаленных галактик. Но на самом деле в том месте неба этого объекта уже нет, потому что за время, пока поток фотонов летит от него к Земле, тот смещает вдоль своей траектории "собственного движения". И чем более он удален от нас, тем дольше летит к 3 e мле его световой (или любой другой электромагнитный сигнал.
Возникают вопросы: как и где найти "истинный образ" Солнца, планеты, звезды, галактики? Ведь световой сигнал от Солнца летит к Земле около 8 минут, от одной из соседних звезд - 4 года, от ближайшей галактики Андромеды - миллионы лет. Козырев отвечает на оба вопроса: используя известные в астрономии данные о собственной скорости и направлении движения наблюдаемого им объекта, он определяет на небе точку, где тот должен находиться в момент наблюдения, и направляет туда телескоп-рефлектор (зеркальный, что очень существенно!). Инструмент оборудован так, что вместо окуляра установлен резистор, включенный в прибор (мост Уитстона), чье состояние равновесия зависит от электропроводности резистора. Оказывается - прибор реагирует не только на видимое, но и на истинное (!) положение объекта. Значит, земной наблюдатель может получать информацию о состоянии того или иного образования Вселенной для настоящего момента времени по своим часам и фиксировать его истинное положение.
Но это еще не все! Смонтированный таким образом телескоп дает возможность получить информацию и о будущем состоянии объекта, ибо регистрирует положение, которое тот займет, когда к нему придет сигнал, как бы посланный с Земли со скоростью света в момент наблюдения. Кроме того, выяснилось, что обнаруженное излучение не подвержено рефракции (его "лучи" не отклоняются в атмосфере Земли подобно лучам света), воздействует на резистор и в том случае, если объектив телескопа закрыт (!) дюралевой крышкой толщиной 2 мм, в случае протяженных объектов (шаровых скоплений и галактики) ослабевает по мере приближения от центра объекта к его краям.
Л.Б.Борисова, Д.Д.Рабунский
Согласно подсчетам специалистов, в нашу эпоху объем научной информации о явлениях природы удваивается каждые 10–12 лет. И это, судя по всему, не простая регистрация интересного факта, а отражение объективного закона развития общества на его современном этапе. Следовательно, для того чтобы идти в ногу с прогрессом, необходимо обеспечить развитие науки именно с таким ускорением.
«В эпоху, когда все в большей мере проявляется роль науки как непосредственной производительной силы, - говорил на XXIV съезде КПСС Генеральный секретарь ЦК КПСС Л. И. Брежнев, - главным становятся уже не отдельные ее достижения, какими бы блестящими они ни были, а высокий научно-технический уровень всего производства» [Материалы XXIV съезда КПСС. М., 1971, с. 56].
Без науки не могут быть успешно решены и такие кардинальные проблемы, стоящие перед современным человечеством, как освоение космоса, сохранение окружающей среды, разработка и создание новых источников энергии и т. п.
Сегодня прогресс науки стал одним из ведущих факторов, определяющих судьбы всего человечества. В частности, в нашей стране наука превратилась в один из главных источников повышения материального уровня жизни народа, она оказывает все большее влияние на все стороны жизни советских людей.
В эпоху научно-технической революции неизмеримо возросла роль фундаментальных научных исследований - изучения наиболее глубоких, всеобъемлющих, основополагающих закономерностей окружающего нас мира.
Именно фундаментальные исследования в конечном счете вызывают наиболее существенные революционные сдвиги в технике и производстве.
«Мы прекрасно знаем, - говорил в Отчетном докладе ЦК КПСС XXV съезду партии Генеральный секретарь ЦК КПСС Л. И. Брежнев, - что полноводный поток научно-технического прогресса иссякнет, если его не будут постоянно питать фундаментальные исследования» [Материалы XXV съезда КПСС. М., 1976, с. 48].
Многое в изучении фундаментальных свойств мироздания наука уже постигла, но Вселенная бесконечно разнообразна, и, как справедливо заметил один древний мудрец, чем шире круг наших знаний, тем больше и линия соприкосновения с неизвестным.
Но для того чтобы сегодня на достигнутом уровне наших знаний в это неизвестное проникнуть, необходимо изучать материю в экстремальных ее состояниях.
Огромные температуры в десятки и сотни миллионов градусов. Колоссальные давления в десятки и сотни миллионов атмосфер. Чудовищные плотности в сотни миллионов и миллиарды тонн в кубическом сантиметре. Гигантские энергии, сравнимые с энергией взрыва термоядерного заряда с массой, равной десяткам тысяч масс Солнца. Космический вакуум…
Таковы те физические условия, исследование которых необходимо для прогресса современной науки. Однако воспроизвести подобные условия в земных лабораториях, разумеется, невозможно.
И все же лаборатория, где подобные необычные состояния материи реализуются, существует. Это бесконечно разнообразная лаборатория Вселенной.
«Следует признать, - подчеркивает известный физик-теоретик Р. Дикке, что в принципе и физик и его приборы так прочно связаны с остальной частью Вселенной, так органически погружены в нее, что даже мысленное разделение их невозможно».
По образному выражению доктора физико-математических наук Н. В. Мицкевича, современным физикам для дальнейшего проникновения в тайны природы потребовалось «поместить» в своих лабораториях звезду, галактику и даже Вселенную.
Именно этими обстоятельствами объясняется всевозрастающий интерес к изучению Вселенной, в особенности разнообразных физических процессов в космосе.
Представления о Вселенной всегда являлись важнейшей составной частью научной картины мира. Не случайно на протяжении многих веков наука о Вселенной - астрономия была «лидером» естествознания. В частности, именно астрономические наблюдения послужили исходным фундаментом для открытия законов механики и закона всемирного тяготения, т. е. для построения основ классической физики.
В дальнейшем на первое место выдвинулась физика, создавшая такие основополагающие теории, имеющие принципиальное значение для познания окружающего нас мира, как квантовая механика и теории относительности.
В наше время возросло значение астрофизических исследований. Если раньше эта область астрономии, занимающаяся изучением физической природы явлений, протекающих в далеких и недоступных глубинах космоса, казалась наиболее отвлеченной и оторванной от реальной жизни, то сегодня именно она приобрела наибольший практический интерес.
Если заняться подсчетом фундаментальных открытий, сделанных за последние десятилетия в различных областях пауки, то мы обнаружим, что астрофизика занимает по этому показателю одно из первых мест в современном естествознании.
Благодаря развитию принципиально новых средств изучения космических явлений и выдающимся открытиям, сделанным в глубинах космоса, благодаря неограниченной возможности черпать уникальную информацию в бесконечно разнообразной природной лаборатории Вселенной сейчас, по-видимому, наступает новая эра в развитии естествознания, эра, в которой астрофизике будет принадлежать ведущее положение.
«Наука значительно продвинулась вперед в изучении Вселенной, в том числе звезд, ядер галактик, процессов протекающих на Солнце, космических лучей, - отмечает вице-президент АН СССР академик В. А. Котельников. Фундаментальные открытия современной астрофизики, связанные с возможностями наблюдения в новых диапазонах электромагнитных волн, прояснили некоторые аспекты эволюции звезд, галактик. Вселенной.
Дальнейшее развитие астрономических наблюдений как с поверхности Земли, так и с помощью космических кораблей и искусственных спутников позволит получать все более полную информацию о многих явлениях в цепи космической эволюции, о загадочных астрофизических объектах».
Вселенная - часть мира
Естествознание изучает не всю материю, а только те или иные ее аспекты, которые определяются характером человеческой деятельности. Сейчас нам вновь придется вернуться к этому вопросу в связи с необходимостью выяснить, что именно мы должны понимать под термином «Вселенная».
Начнем с того, что в научно-популярной и научной литературе то и дело встречаются выражения вроде «начало Вселенной», «границы Вселенной», «когда Вселенной не было»…
Подобные выражения вызывают естественное недоумение: если у Вселенной было начало, следовательно, она не вечна? Но как же в таком случае быть с одним из основных положений материализма о вечности Вселенной?
Чтобы лучше в этом разобраться, попробуем представить себе беседу между двумя воображаемыми персонажами - Любителем астрономии и Философом, занимающимся методологическими проблемами науки о Вселенной.
Любитель. Еще несколько лет назад, читая научно-популярную литературу по астрономии, я отчетливо понимал, что подразумевается под термином «Вселенная». Но в последнее время я совершенно запутался. Может быть, теперь под Вселенной понимают что-либо иное?
Философ. А что, по-вашему, понимали под Вселенной раньше?
Любитель. Если не ошибаюсь, всегда считалось, что Вселенная-это «все существующее».
Философ. Однако термин «существование» в достаточной степени многозначен. И поэтому, необходимо уточнить, о каком именно существовании идет речь.
Любитель. Ну вообще обо всем, что существует во Вселенной.
Философ. Не кажется ли Вам, однако, что при этом получается порочный круг: «Вселенная» - это то, что существует во «Вселенной»?
Любитель. Да, в самом деле…
Философ. И наверное, вряд ли имеет смысл считать существующим то, о существовании чего мы не имеем никакой информации.
Любитель. Понимаю… Тогда, очевидно, существующим следует считать то, что удается непосредственно наблюдать с помощью современных средств научного исследования.
Философ. Это уже нечто более определенное. Но прежде чем принять ваше предложение, попробуем сначала его проанализировать. Если согласиться с вашим определением, то в сравнительно недалеком прошлом под Вселенной мы должны были бы понимать «звездную Вселенную», т. е. нашу Галактику. А сейчас, когда нам известны и другие галактики, часть «Большой Вселенной» Метагалактику.
Любитель. Ну что ж… Видимо, так оно и есть.
Философ. Возможно, все было бы хорошо, если бы не одно «но». К сожалению, и физика, и астрономия уже убедили нас в том, что наблюдаем ость - весьма ненадежный критерий существования.
Любитель. Я не совсем хорошо понимаю, что вы имеете в виду.
Философ. Могу пояснить. Как известно, из-за конечной скорости распространения электромагнитных волн все космические объекты мы наблюдаем с запозданием, тем более значительным, чем дальше они находятся. Скажем, всем известная Полярная звезда расположена на расстоянии около 500 световых лет - значит, мы видим ее такой, какой она была около пяти веков тому назад. Можно ли при таких условиях безоговорочно утверждать, что она существует, на основании того, что мы ее наблюдаем сегодня? Вероятно, существует, поскольку за 500 световых лет со звездой такого типа вряд ли может произойти что-либо кардинальное. И все же это только вероятность. А ведь есть нестационарные космические объекты, где глубокие качественные изменения происходят в сравнительно короткие промежутки времени, буквально в течение нескольких лет? Как быть с ними? Возможны и еще более сложные ситуации. Одним словом, наблюдаем ость как критерий существования для астрономии, на мой взгляд, мало пригодна.
Я думаю, правильнее исходить из другой идеи, согласно которой во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий и явлений, допускаемых основными физическими теориями…
Любитель: Но поскольку наши знания об окружающем мире развиваются, а вместе с ними и основные физические теории, это автоматически означает, что различным уровням развития науки соответствуют разные Вселенные.
Философ. Я думаю, Вселенную следует рассматривать не как целостный аспект всего существующего, а применительно к определенному уровню человеческой практики. Другими словами, Вселенная - эта та область процессов и явлений, которая выделена современными научными средствами, наблюдательными и теоретическими.
Любитель: Значит, в самом деле так? Может быть несколько Вселенных! Странная ситуация.
Философ. Ничего странного. Каждая космологическая теория воссоздает Вселенную «по-своему», строит свою модель. И «Вселенные» разных теорий не совпадают друг с другом. Не следует только упускать из вида, что любая такая «теоретическая» Вселенная никогда на станет полностью завершенным «изображением» реального мира. Дальнейшие исследования с неизбежностью будут его дополнять и углублять…
Между прочим, если с этой точки зрения взглянуть на сменявшие друг друга учения о мире, то станет совершенно ясно, что хотя все эти учения претендовали на описание мира в целом, в действительности каждое из них относилось лишь к ограниченной области Вселенной, границы которой при переходе от одного учения к другому постепенно расширялись.
Так, система мира Аристотеля - Птолемея верно отразила некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру… Таким образом, это было учение собственно о Земле.
Система мира Коперника фактически описывала строение Солнечной системы, а система мира Гершеля - строение нашей Галактики…
Вселенная расширяется
Каковы в основных чертах современные представления о Вселенной?
Центральная звезда нашей планетной системы - Солнце входит в состав гигантского звездного острова - галактики. Наша Галактика имеет спиральное строение и состоит из 150 миллиардов звезд. Ее поперечник достигает 100 тысяч световых лет.
За пределами нашей Галактики расположены другие звездные острова. Ближайшие вместе с ней образуют так называемую Местную систему. В нее, в частности, входит знаменитая галактика в созвездии Андромеды, расстояние до которой составляет около 2 миллионов световых лет.
В той области мира, которая доступна современным астрономическим наблюдениям, расположены миллиарды галактик. Их совокупность называется Метагалактикой.
Еще в начале текущего столетия в науке господствовало представление о том, что Вселенная стационарна и в основных своих чертах не изменяется с течением времени.
Однако в 1922 г. талантливый советский математик А. А. Фридман (1888–1925) обнаружил, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна, описывающие поведение Вселенной, не имеют стационарных решений.
Из работы Фридмана следовало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. В дальнейшем этот теоретический вывод был подтвержден астрономическими наблюдениями, обнаружившими в спектрах галактик красное смещение спектральных линий. Как известно, подобное явление возникает в тех случаях, когда источник волновых колебаний удаляется от наблюдателя (эффект Доплера).
Мы сейчас не будем вдаваться в историю споров, развернувшихся вокруг истолкования красного смещения в спектрах галактик. Во всяком случае, к настоящему времени можно считать достаточно надежно установленной доплеровскую природу этого явления. Это означает, что все галактики разбегаются в разных направлениях, и, чем дальше находится от нас та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Происходит растяжение пространства, не имеющее единого центра, и такое, что скорость увеличения расстояния между двумя любыми точками пропорциональна этому расстоянию.
Таким образом, мы живем в расширяющейся Вселенной.
Зная скорости удаления галактик, можно мысленно повернуть картину расширения вспять, и тогда мы придем к фундаментальному выводу о том, что 15–18 миллиардов лет назад Вселенная находилась в ином состоянии, чем в нашу эпоху. Не было ни звезд, ни галактик, ни других обособленных космических объектов. Существовал только сгусток сверхплотной горячей плазмы.
Взрывной распад и расширение этого сгустка и привели в конечном итоге к возникновению всего того разнообразия объектов и физических условий, которые мы наблюдаем во Вселенной в нашу эпоху.
Таким образом, Вселенная изменяется во времени.
Ее прошлое не тождественно настоящему, а настоящее - будущему.
Существенному пересмотру подверглись также представления о том, что во Вселенной преобладают чрезвычайно медленные и плавные процессы. Как выяснилось в последние десятилетия прежде всего благодаря исследованиям советских астрономов, многие фазы развития материи в космосе резко нестационарны и носят характер взрыва, дезинтеграции, рассеяния. И подобная нестационарность проявляется в космических явлениях самых различных масштабов, на разных уровнях существования материи.
Как отметил академик В. А. Амбарцумян, важнейшим следствием этих открытий явилось, превращение астрофизики в эволюционную науку. Если раньше астрофизика в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их предыстории, происхождения и развития, качественных превращений, переходов материи из одних форм в другие.
Прошлое и настоящее
Таким образом, возникает задача выяснения прошедших состояний космических объектов, последовательных этапов их развития. Задача чрезвычайно сложная, если учесть, что речь идет о громадных промежутках времени в миллионы и миллиарды лет и о таких состояниях, которые в нашу эпоху могли претерпеть кардинальные изменения.
Однако история естествознания показывает, что если перед наукой возникают те или иные задачи, то находятся и пути их решения. В частности, современная астрофизика располагает - вполне реальными возможностями проникновения в прошлое.
Вообще говоря, для того чтобы раскрыть закономерности развития какого-либо интересующего нас объекта, необходимо изучать его в движении, где движение понимается в широком смысле как любое изменение.
Существует старинная легенда о короле, который однажды задал своим мудрецам нелегкую задачу. Пригласив их во дворец, он указал им на большой каменный шар, лежавший посреди двора и попросил определить, что находится внутри его. Один за другим пытались мудрены разрешить трудную задачу. Сутками напролет просиживали они наедине с шаром, пристально вглядываясь в его и стараясь силой мысли проникнуть внутрь камня. И один за другим удалялись, понурив голову, так и не справившись с заданием. Так продолжалось до тех пор, пока среди мудрецов не нашелся действительно мудрый человек. Он приказал разложить под загадочным шаром костер и нагревал его до тех пор, пока раскаленный камень пе треснул и шар не распался на две половинки. И тогда все увидели, что внутри шара нет ничего, кроме камня…
Если бы объект исследования был неподвижен, если бы с ним ничего не происходило, если бы в нем не было никаких изменений, то о нем нельзя было бы узнать что-либо достоверное. Подлинно научное доследование основано на изучении реальных изменений, происходящих в природе.
Конечно, и для «неподвижного» объекта можно сочинить предысторию. Но именно сочинить, потому что реалистичность подобных гипотез выявится лишь в том случае, если нам удастся проверить, в какой степени они предсказывают и объясняют происходящие изменения.
Представьте, что перед вами готовое, оштукатуренное, новенькое здание. И вы смотрите на него со стороны и совершенно ничего не знаете о том, из чего и каким способом оно сооружено. При такой ситуации можно строить любые гипотезы:: скажем, что оно сложено из кирпича, или кусков гранита, или панелей, или блоков, И любая из этих гипотез будет представляться одинаково правдоподобной.
Совсем иная ситуация возникла бы в том случае, если бы мы застали период, когда здание еще воздвигалось. Наблюдая за стройкой, мы. не только смогли бы разрабатывать вполне реалистические гипотезы, но и проверять их обоснованность дальнейшими наблюдениями.
К сожалению, астрономам приходится, как правило, иметь дело е почти «неподвижными» объектами. Таковы, например, большинство звезд и галактик, которые развиваются настолько медленно, что для человечества с его сравнительно короткой (с точки зрения космических масштабов) шкалой жизни они практически остаются неизменными. Даже целое столетие в истории подобного объекта все равно что секунда в нашей обыденной жизни. Наблюдая за подобными объектами много десятилетий подряд, мы все равно получаем как бы одну и ту же «моментальную» фотографию. Есть ли выход из этого действительно затруднительного положения?
Обратимся к нашему примеру с выстроенным домом.
Можно ли все-таки выяснить, как его сооружали? Для этого следует совершить «экскурсию» по городу и отыскать другие точно такие же дома, но на разных стадиях строительства. И если даже наша экскурсия будет совершена в воскресный день, когда все «неподвижно», мысленно расположив обнаруженные дома один за другим по «стадиям завершенности», мы получим «возрастной ряд», который поможет нам представить все последовательные этапы возведения дома.
Примерно так же поступают и ученые в своих трудных поисках прошлого звезд и галактик. Мир этих космических объектов чрезвычайно разнообразен. И это разнообразие объясняется не только существованием многих типов подобных космических объектов, но и тем, что различные звезды и галактики могут находиться в данный момент на разных этапах своей эволюции.
Чтобы судить о путях развития небесных тел, надо разделить их на классы однотипных объектов и внутри каждого такого класса составить «возрастной ряд». Подобный ряд вполне может заменить ряд следующих друг - за другом во времени состояний одного и того же интересующего нас объекта.
Подобный метод, который можно назвать «методом сравнения», находит применение не только в астрономии, но и во многих других областях современного естествознания.
Однако нередко бывает и так, что интересующий нас объект известен нам в единственном экземпляре. Таковы, например, наша планетная система или Метагалактика. Сравнить их не с чем. Но и в этом случае возможности для выяснения их предыстории есть. Еще В. И. Ленин отмечал, что в фундаменте самого здания материи можно «предполагать существование способности, сходной с ощущением», [Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. собр. соч., т. 18, с. 40] что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения.
В наше время это свойство материи - хранить следы прежних состояний нашло практическое применение.
Достаточно напомнить хотя бы о «памяти» электронно-вычислительных машин и кибернетических устройств.
Итак, любая материя может обладать «памятью».
С этой точки зрения все закономерности окружающего вас мира можно разделить на две большие группы - закономерности, которые определяются основными, фундаментальными законами природы, и закономерности, которые постепенно складываются в процессе развития той или иной конкретной материальной системы.
Очевидно, закономерности первого типа не зависят от истории - они всегда одинаковы, а их проявления определяются конкретными условиями. Скажем, законы Кеплера действуют в Солнечной системе вне зависимости от путей се формирования. Следовательно, такие закономерности сами по себе ничего не могут сообщить нам об истории данной системы.
Что касается закономерностей второго типа, то они непосредственно зависят от хода эволюции и потому способны многое рассказать о прошлом. Иными словами, современное состояние многих материальных систем довольно часто содержит определенные сведения об их предыстории.
Но если материя способна хранить «следы» былого, то это значит: главный «ключ» к познанию прошлого космических объектов состоит прежде всего в глубоком изучении их современных состояний.
Тут невольно напрашивается сравнение с работой детектива. Вот он прибывает на место преступления. Оно совершилось, преступник исчез. Теперь необходимо восстановить то, что произошло несколько часов назад: без этого злоумышленник пе будет пойман. Живых свидетелей нет. И казалось бы, задача безнадежна. Однако есть другие свидетели - предметы, вещи. Они, хотя и мертвы, но отнюдь не безмолвны. В результате преступления в состоянии окружающей среды что-то изменилось: как бы ни изощрялся преступник, он почти неизбежно оставит какие-то следы. И по этим иногда едва различимым, казалось бы, ничего не говорящим следам опытный детектив сможет восстановить картину случившегося.
Сходные задачи приходится решать и ученому, интересующемуся былым состоянием тех или иных объектов. Кстати, мы уже воспользовались подобным способом, когда по картине современного движения галактик пытались восстановить прошлое Вселенной.
Рассмотрим в качестве примера проблему происхождения Солнечной системы. Наука располагает фактическими данными лишь о ее современном состоянии. Выход, очевидно, состоит в том, чтобы искать отражение минувшего в той картине планетной семьи Солнца, которая существует сегодня. Такой подход ограничивает диапазон возможных гипотез - ведь далеко не всякий путь развития мог привести Солнечную систему к ее современному виду…
Каковы те закономерности в строении Солнечной системы, которые можно было бы отнести ко второму типу, т. е. закономерности, зависящие от предыстории?
Это прежде всего закономерности планетных движений. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, а их орбиты мало отличаются от окружностей. Между тем согласно законам механики обращение небесных тел под действием сил тяготения вокруг массивного центрального ядра должно происходить по различным направлениям, в разных плоскостях и по вытянутым, эллиптическим орбитам. Движение по окружностям в одном направлении да еще в одной плоскости - редчайший частный случай, и вероятность того, что он осуществится, например, при случайном объединении не связанных друг с другом небесных тел, практически равна нулю.
Это обстоятельство указывает на то, что семья Солнца сформировалась в каком-то едином процессе, в ходе которого и сложились наблюдаемые особенности планетных движений.
Об этом же говорит и разделение планет Солнечной системы на две группы, отличающиеся по своим свойствам. Одну из них составляют четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Они сравнительно невелики по размерам и состоят преимущественно из тяжелых химических элементов. Во вторую группу входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, Это планеты-гиганты, состоящие в основном из водорода и его соединений и гелия.
Таким образом, всерьез можно, рассматривать лишь те космогонические гипотезы, которые не только описывают, как вещество из допланетного состояния сформировалось в планеты, но и показывают, как в этом процессе сложились современные закономерности Солнечной системы.
В тех случаях, когда речь идет об изучении Вселенной, ученые располагают еще одной возможностью - возможностью непосредственного наблюдения предшествующих стадий развития космических объектов.
В обычной жизни мы видим все происходящее в тот самый момент, когда оно совершается в действительности. И даже тогда, когда, находясь в Москве, мы смотрим телевизионную передачу из далекого Владивостока, которая транслируется через искусственный спутник Земли, события в дальневосточной студии и на экране происходят фактически одновременно. Это и понятно, если вспомнить, что электромагнитные волны распространяются с колоссальной скоростью-около 300000 км/с. Такая скорость позволяет им мгновенно преодолевать любые земные расстояния.
Иное дело - расстояния космические. Уже от Лупы - ближайшего небесного тела - свет идет к нам больше секунды, а от Солнца - восемь минут восемнадцать секунд. Для того чтобы пробежать расстояние от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы Плутона, световая волна затрачивает пять с половиной часов, а ближайшей звезды Проксимы Центавра она достигнет только через четыре года и четыре месяца.
Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду назад, Солнце - с опозданием на 8 минут 18 секунд, а Проксиму Центавра - на 4 года и 4 месяца.
Таким образом, наблюдая небо, мы непосредственно заглядываем в прошлое Вселенной. И чем дальше находится тот или иной объект, тем в более отдаленные времена мы проникаем.
Если бы, скажем, хорошо знакомая всем Полярная звезда сегодня вообще перестала существовать, то мы, находясь на Земле, продолжали бы видеть эту фактически уже не существующую звезду еще на протяжении 500 лет - как раз тот срок, который необходим световым лучам, чтобы преодолеть огромное расстояние, отделяющее Полярную звезду от Земли.
Таким образом, каждая звезда, каждая галактика, которую мы видим, одна из живых страниц истории Вселенной.
Современные средства астрономических исследовании позволяют наблюдать объекты, расположенные на расстояниях вплоть до 10–12 миллиардов световых лиг.
Это означает, что соответствующие этим расстояниям объекты мы наблюдаем такими, какими они были 10–12 миллиардов лет тому назад.
Более того, в принципе есть возможность получать непосредственную информацию и о самых ранних этапах существования Вселенной. Из теории расширяющейся Вселенной следует, что через несколько сотен тысяч лег после начала расширения плотность среды снизилась настолько, что электромагнитное излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве.
Это «ископаемое», реликтовое излучение дожило до нашей эпохи и в настоящее время надежно регистрируется радиотелескопами. Изучение его свойств, в частности, показало, что начальное вещество обладало весьма высокой температурой, - это была горячая плазма.
Реликтовое излучение несет нам прямую информацию о периоде, отстоявшем от начала расширения на несколько сотен тысяч лет.
Современные фундаментальные физические теории дают нам полные достоверные данные, вплоть до еще более раннего момента, когда расширяющийся сгусток обладал ядерной плотностью. Этот момент отстоял от начала расширения не более чем на одну секунду.
Таким образом, мы уже сейчас располагаем достаточно надежными, сведениями об отрезке времени, продолжительность которого составляет 99,99 всей истории Метагалактики…
Разумеется, всякая экстраполяция, т. е. распространение наших знаний в прошлое или будущее Вселенной, неизбежно влечет за собой известную долю неопределенности. И чем дальше мы углубляемся в прошлое или будущее, тем эта неопределенность больше. Хотя по мере развития науки она неуклонно уменьшается.
Есть принципиальная возможность получить непосредственную информацию и о самых первых мгновениях расширения Вселенной.
Реликтовые нейтрино могут принести нам сведения вплоть до момента, отстоявшего от начала расширения всего на 0,3 секунды. На еще более ранней стадии плотность вещества была настолько велика, что оно было непроницаемым даже для нейтрино.
Об этой стадии, возможно, могли бы рассказать так называемые гравитационные волны.
Пока что реликтовые нейтрино и гравитационные волны мы регистрировать не умеем. Но суть дела от этого не меняется. Со временем способы регистрации этих излучений будут разработаны, и у исследователей Вселенной появится возможность получать информацию о начальном этапе ее существования.
Неизбежность все более странного мира
С каждым новым фундаментальным открытием мир представал перед взором человека все более странным и необычным, сперва с точки зрения повседневных наглядных представлений о нем, обыденного здравого смысла, в по мере дальнейшего развития науки - и с точки зрения господствующих в данный момент, успевших стать привычными научных представлений.
«Именно прогресс фундаментальных знаний, - говорил с трибуны XXV съезда КПСС президент Академии наук СССР, академик А. ЧП. Александров, - изменяет, казалось бы, установившиеся и незыблемые в науке точки зрения, открывает новые области в науке и технике… открывает возможности использования совершенно новых, часто неожиданных явлений в областях, совершенно не имевших никакого отношения к первоначальной области исследований».
Отмечая то обстоятельство, что свойства реального мира, открываемые в процессе научного исследования, могут вступать в противоречие с нашими привычными представлениями о нем, выдающийся физик XX столетия Макс Борн (1882–1970) подчеркивал, что решающим фактором развития естествознания является «необходимость признания человеком внешнего реального мира…, существующего независимо от человека и его способности идти вразрез со своими ощущениями там, где это нужно для сохранения данного убеждения».
Многие великие научные открытия основаны на способности ученого отвлекаться от своего обыденного опыта и гипноза наглядных представлений. Дело в том, что одна из характерных особенностей мира явлений, изучаемых современным естествознанием, состоит в том, что эти явления становятся все менее и менее наглядными.
В свое время некоторые философы считали: то, что нельзя наглядно представить, скажем замкнутый в себе мир, не может и существовать. Осознание того факта, что мир «странных», диковинных явлений реально существует и познается наукой, помогает освободиться от такого примитивного, неправильного подхода к пониманию природы и тем самым способствует прогрессу естествознания.
Очень многое из того, что изучают современная физика и астрофизика, нельзя представить себе наглядно.
Но понять можно! И в этом главное. Например, совершенно невозможно представить себе пространства со сложной геометрией. Но их свойства можно понять и описать с помощью соответствующего математического аппарата.
В то же время это вовсе не означает, что современные физики и астрономы в процессе научного исследования вообще не пользуются наглядными представлениями. Наглядные образы необходимы как в ходе научного поиска, так и при объяснении сложных явлений. Flo эти образы нельзя отождествлять с самим реальным миром: они носят условный, вспомогательный характер.
Копернику одному из первых удалось преодолеть гипноз наглядных представлений об окружающем мире и разглядеть за видимыми перемещениями небесных светил их подлинные движения в мировом пространстве.
Но и ряд последующих шагов, которые в конечном счете привели к построению картины мира классической физики, был также связан с преодолением, привычных представлений. Открывая свои «три закона», Кеплер преодолел распространенное в то время убеждение о круговом характере планетных орбит и движении планет с постоянными угловыми скоростями.
Формулируя свой «принцип инерции», Галилей должен был преодолеть представление о том, что равномерное прямолинейное движение тола происходит под действием постоянной силы.
Ньютон открыл закон тяготения вопреки убеждению о том, что планеты «подталкивают» какие-то неведомые таинственные силы…
И все же пока физика ограничивалась изучением таких процессов, с которыми человек сталкивается более или менее непосредственно, ее выводы не вступали в какие-либо особые противоречия с нашим повседневным опытом.
Когда же в начале XX столетия физика вторглась в мир микроявлений и занялась глубоким осмысливанием физических процессов космического масштаба, то она обнаружила ряд фактов, обстоятельств и закономерностей, которые оказались весьма странными и необычными не только с точки зрения обыденного здравого смысла, но и с позиций всего предшествующего классического естествознания.
Эти странности нашли свое отражение прежде всего в двух величайших теориях нашего века - квантовой механике и теории относительности.
Первая из них утвердила совершенно новые представления о свойствах мельчайших частиц материй - элементарных частиц. Оказалось, например, что не существует принципиальной разницы между частицей и волной, между веществом и излучением. В одних ситуациях частицы проявляют свои корпускулярные свойства, в других - волновые. Вещественные частицы могут превращаться в излучение, а порции излучения - фотоны - в вещественные частицы.
Одним из самых поразительных выводов квантовой физики, противоречащих как наглядным представлениям о мире, так и основам классической физики, явился так называемый принцип неопределенности, о котором было упомянуто в одной из предыдущих глав. Оказалось, что у микрочастицы никакими средствами невозможно одновременно точно измерить скорость и положение в пространстве. Это означало, что у микрочастиц нет траекторий движения в обычном понимании, а они представляют собой нечто вроде размазанного в пространстве облака.
Еще необычнее оказались выводы теории относительности. В частности, выяснилось, что многие физические величины, которые казались абсолютными и неизменными, например, масса какого-либо тола, длины отрезков, промежутки времени, в действительности являются-относительными, зависящими от характера движения системы, в которой происходят те или иные физические явления.
Так, оказалось, что масса тела возрастает с увеличением его скорости. И потому масса, скажем, протона или нейтрона, летящего со скоростью, близкой к скорости света, может в принципе превзойти массу Земли, Солнца и даже массу нашей звездной системы - Галактики.
Но все это были еще только самые первые шаги в тот удивительный, странный мир науки, который во второй половине XX столетия все стремительнее развертывается перед нами.
В глубинах микромира
Одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания является физика микромира, занимающаяся изучением строения материи на уровне микропроцессов - атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь двадцать лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц, и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц сейчас их число измеряется сотнями.
Однако застой оказался временным, и в последние годы ситуация изменилась самым существенным образом.
Получила развитие особая область физики элементарных частиц - так называемых новых частиц. Были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами.
Еще в 1964 г. физики-теоретики М. Гелл-Манн в Г. Цвейг, исходя из некоторых теоретических соображений, выдвинули смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах кварках. Согласно этой идее существуют три кварка с дробными электрическими зарядами и три соответствующих им антикварка. Из кварков и антикварков могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны, их античастицы, а также некоторые другие элементарные частицы.
В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
С 1964 по 1970 г. во многих лабораториях мира предпринимались активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии так и не удалось. Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что эти частицы наконец открыты, по дальнейшие исследования подобные сообщения не подтверждают.
В связи с этим произошло некоторое охлаждение к гипотезе кварков. И в то же время без кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц. Поэтому, несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжала развиваться. В результате теоретики пришли к выводу, что должен существовать еще один четвертый кварк, так называемый С-кварк, со своим антикварном.
В числе прочих физических характеристик этого кварка имеется новое, так называемое квантовое число, получившее название «очарования» или «чарма».
По если есть четвертый кварк, то должны существовать и частицы, в состав которых он входит. Именно одна из таких частиц - джей-пси-мезон и была обнаружена в ноябре 1974 г.
Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит из С-кварка и его антикварка. Эту систему назвали «чармонием».
Если это предположение соответствует действительности, то джей-пси-мезон, видимо, представляет собой нечто иное, как один из возможных энергетических уровней чармония.
Не исключена также возможность, что в природе существуют образования, состоящие из комбинаций «старых» и «новых» кварков. Сперва подобные объекты попытались «сконструировать» теоретики, а в конце 1976 г. появились сообщения об открытии чармированных мезонов и чармированного бариона. Любопытно отметить, что джей-пси-мезон оказался самым тяжелым мезоном среди всех известных современной физике. В то же время весьма велика и продолжительность жизни джей-пси-мезона. Она составляет около 10~20 с. Это примерно в тысячу раз больше, чем продолжительность существования других тяжелых частиц. А в 1977 г. была открыта ипсилон-частица, предсказанная теорией как комбинация шестого кварка и антикварка. Ее масса равна пяти массам протона. Тот факт, что пси-частицы оказались сравнительно долгоживущими, наводит на мысль, что, быть может, в природе есть некое еще неизвестное нам правило запрета, накладывающее «вето» на быстрый распад джей-пси-мезона и других подобных частиц.
Открытие пси-частиц послужило весьма важным свидетельством в пользу гипотезы кварков и заставило еще раз задуматься над тем, почему эти объекты не удается обнаружить на опыте.
Для объяснения возникшей ситуации была предложена любопытная идея так называемого удержания кварков.
Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы, в том числе и кварки, которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде. Согласно этой идее силы, связывающие между собой два кварка, возможно, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы «резиновую» трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого, - «растягиваясь» при внешнем воздействии, она затем - сокращается и возвращает кварк на место. Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить. Не исключено также, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что, помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют и другие, более тяжелые. Возможно, ответ на этот вопрос удастся получить в самое ближайшее время. Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас с новыми объектами, но по мере своего развития ведет в глубины «все более странного мира». Одним из весьма любопытных объектов «странного мира» современной микрофизики являются так называемые сверхсветовые частицы, или тахионы.
Быстрее света
Согласно теории относительности Эйнштейна, которая является одной из фундаментальных основ современного естествознания, скорость передачи любых физических взаимодействий не может превосходить скорости света.
Однако можно предположить, что наряду с миром досветовых взаимодействий существует нигде не пересекающийся с ним мир сверхсветовых скоростей, в котором скорость света является не верхней, а нижней границей скорости физических процессов. Подобное предположение в принципе не только не противоречит существу теории относительности, но, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, обобщая ее на мир, лежащий за световым барьером.
Кстати, это как раз тот случай, когда к новым выводам приводит саморазвитие теории, вытекающее из ее внутренней логики.
Разумеется, справедливость гипотезы тахионов может доказать только эксперимент, по естественность теоретического обобщения, о котором идет речь, производит сильное впечатление.
Если бы тахионы действительно существовали, они оказались бы третьим типом известных нам частиц. Первый из них составляют «досветовые» частицы, которые ни при каких обстоятельствах не могут достичь скорости, в точности равной световой. К их числу относятся почти все известные нам элементарные частицы. Второй тип - частицы, движущиеся точно со скоростью света. К ним относятся фотоны - порции света - и нейтрино. Тахионы явились бы частицами, всегда обладающими сверхсветовыми скоростями.
Возникает вопрос: не является ли гипотеза тахионов физически бессмысленной?
Все дело в том, что соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, в принципе могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие выводы теории, которые вступают в противоречие с тем или иным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза тахионов в подобные противоречия не вступает. Мир тахионов нигде не пересекается с нашим досветовым миром. Те три типа частиц, которые были упомянуты, обладают таким свойством: частицы одного типа ни при каких известных нам взаимодействиях не могут перейти в частицы другого типа. Хотя на более глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может оказаться и не так.
Правда, пока что никаких экспериментальных указаний на возможность существования тахионов получить не удалось. Но, может быть, это связано с тем, что в соответствующих экспериментах не учитывались какие-то еще неизвестные нам свойства этих гипотетических частиц. Одна из интересных возможностей состоит в том, чтобы попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенковскому излучению (подмени советского физика Черенкова). Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны, хотя зафиксировать подобное излучение будет весьма нелегко.
Физика микромира особенно поучительна тем, что в процессе ее развития возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний, физика как наука никогда не закончится.
Развитие теории элементарных частиц ведет - нас ко все более диковинным явлениям, все дальше от привычных, наглядных представлений. Эта теория постепенно обрастает более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в том мире, который нас непосредственно окружает.
В то же время, несмотря на обилие экспериментальных данных, единой теории элементарных частиц пока не существует. Значит ли это, что современная микрофизика нуждается в каких-то принципиально новых, может быть, «безумных идеях»?
В тех сведениях, которыми мы располагаем сегодня о процессах микромира, еще много непонятного. Не исключено, что усилиями теоретиков трудности будут преодолены на основе имеющихся представлений. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.
Таково мнение большинства специалистов, работающих в этой области физической науки.
Удивительная Вселенная
Таким образом, когда наука перешла от изучения обычных, окружающих нас макроскопических явлений к исследованию микропроцессов, то она столкнулась с миром необычных, странных явлений.
Поэтому можно было ожидать, что когда будет сделан скачок в противоположном направлении - от физики макромира к физике мегакосмоса, для которого характерны колоссальные расстояния, огромные промежутки времени и гигантские массы вещества, то мы столкнемся с не менее странными и диковинными явлениями.
Так и произошло! Астрофизика XX века, изучая Вселенную, принесла ряд неожиданных открытий, явно не укладывающихся в рамки традиционных представлений о мироздании и производящих на первый взгляд впечатление необычного, невероятного, не поддающегося объяснению с позиций здравого смысла.
Об открытии расширения Вселенной мы уже говорили.
К не менее удивительным результатам привело и изучение ее геометрических свойств.
Мы не будем сейчас касаться полной драматических событий и крутых поворотов истории изучения этой проблемы. Подлинно научная постановка вопроса о геометрии пространства Вселенной, и в частности о его конечности или бесконечности, стала возможна лишь в начале XX столетия, когда А. Эйнштейном была создана общая теория относительности.
Один из основных выводов этой теории состоит в том, что геометрические свойства пространства зависят от распределения материи. Любая масса искривляет окружающее пространство, и это искривление тем сильнее, чем больше масса.
Сущность общей теории относительности Эйнштейн объяснял примерно так. Если бы из мира вдруг исчезла вся материя, то с точки зрения классической физики пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли бы пространство и время.
Таким образом, не существует абсолютного ньютоновского пространства и абсолютного времени, не зависящих от материи: пространство и время лишь формы ее существования.
Поскольку мы живем в мире, заполненном различными космическими объектами - звездами, туманностями, галактиками, мы живем в искривленном, или, как говорят математики, неэвклидовом пространстве.
В обычной жизни мы этого не замечаем, так как в условиях Земли имеем дело со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Именно по этой причине мы вполне удовлетворяемся обычной эвклидовой геометрией. В земных условиях она является достаточным приближением к реальной действительности. Однако в космических масштабах искривление пространства становится значительным, и его уже нельзя по учитывать. Особенно важное значение это имеет для выяснения геометрических свойств Вселенной. В частности, оказалось, что в искривленном мире неограниченность и бесконечность пространства не одно и то же. Неограниченность пространства - это отсутствие границ. Но оказывается, неограниченное пространство может быть конечным, замкнутым в себе, и бесконечным.
Приведем для наглядности в качестве аналогии сферическую поверхность, поверхность шара конечного радиуса.
И представим себе некое гипотетическое двумерное существо, скажем бесконечно плоского муравья, обитающего v этой поверхности и даже не подозревающего, что существует какое-то третье измерение.
Куда бы ни полз этот муравей, он никогда не доберется до границы своего сферического мира. И в этом смысле сферическая поверхность неограниченна.
Но поскольку радиус ее конечен, то конечна и ее площадь - это конечное пространство.
Неограниченность материального мира не вызывает сомнений. Если мы стоим на позициях материализма и атеизма, мы должны признать, что материальный мир не может иметь границ. Наличие границ означало бы, что за ними располагается нечто нематериальное. Иными словами, мы пришли бы к идеальному, к религии.
Таким образом, вопрос о неограниченности материального мира - это принципиальный мировоззренческий вопрос,
Однако неограниченный мир, как мы уже знаем, может быть как конечным, так и бесконечным. И вопрос о том, каков он на самом деле, нельзя решить из одних лишь философских соображений, его можно решить только путем исследования реальной действительности.
Нетрудно догадаться, что конечность или бесконечность пространства Вселенной зависит от его кривизны, А кривизна, в свою очередь, определяется количеством материи, ее массой.
Соберем мысленно всю материю Вселенной и равномерно «размажем» ее по всему пространству. И посмотрим, какая масса окажется в одном кубическом метре, т. е. определим среднюю плотность.
Теория относительности дает четкий критерий: если средняя плотность не больше девяти протонов - ядер атомов водорода, пространство незамкнуто и бесконечно; если десять или больше протонов, замкнуто и конечно.
Что говорит нам современная астрофизика о средней плотности материи во Вселенной? Существуют различные способы ее определения, и они приводят к разным результатам. Но во всех случаях плотность получается ниже критической. Таким образом, с точки зрения современных астрофизических данных мы живем в бесконечной незамкнутой Вселенной.
Однако вопрос обстоит значительно сложнее. Прежде всего надо иметь в виду, что нам, возможно, известны не все формы существования материи, а открытие новых форм может изменить значение средней плотности материи.
Но если бы даже удалось определить среднюю плотность совершенно точно, вопрос о конечности или бесконечности Вселенной не был бы решен окончательно. Дело в том, что его, видимо, и нельзя решить окончательно в том смысле, в каком мы решаем многие другие вопросы науки, т. е. получить четкий ответ типа «да» или «нет».
Теория относительности вскрыла относительный характер ряда физических величин, казавшихся до этого абсолютными и неизменными. Несколько лет тому назад московскому астроному А. Зельманову удалось доказать, что относительным является и свойство пространства быть конечным или бесконечным. Пространство Вселенной, конечное и замкнутое в одной системе отсчета, может быть в то же самое время бесконечным и незамкнутым в другой.
Таким образом, мы встретились с не совсем обычной и в то же время поучительной ситуацией, которая показывает, что природа значительно сложнее наших формально-логических представлений о ней, что ее свойства и явления обладают диалектическим характером.
Загадочные ядра галактик
За последние десятилетия астрономы обнаружили во Вселенной ряд нестационарных объектов, где протекают бурные физические процессы и за сравнительно короткие промежутки времени происходят весьма существенные качественные изменения.
Начало этим исследованиям было положено открытием в 1962 г. так называемых радиогалактик, т. е. галактик, радиоизлучение которых во много раз сильнее теплового радиоизлучения, присущего любому космическому объекту, температура которого выше температуры абсолютного нуля. В качестве наиболее яркого примера можно привести двойную радиогалактику в созвездии Лебедь (радиоисточник Лебедь А). Хотя эта космическая «радиостанция» находится от нас на огромном расстоянии около 600 миллионов световых лет, ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как и радиоизлучение спокойного Солнца. А ведь расстояние до Солнца составляет около восьми световых минут, т. е. в 400 миллиардов раз меньше!
Для того чтобы работала любая радиостанция, в том числе и природная, ее надо питать энергией. Каковы же те энергетические источники, которые способны на протяжении миллионов лет обеспечивать мощное радиоизлучение радиогалактик?
В последние годы накапливается все больше фактов, свидетельствующих о том, что эта энергия вырабатывается в результате бурных физических процессов, протекающих в ядрах галактик - сгущениях материи, расположенных в центральных частях многих звездных островов Вселенной.
Несомненные признаки активности проявляет, например, ядро нашей собственной Галактики. Как показали радионаблюдения, оно непрерывно выбрасывает водород в количестве, достигающем полутора солнечных масс в год.
Если принять во внимание, что возраст нашей Галактики составляет около 15–17 миллиардов лет, то получится, что из ее ядра было выброшено около 25 миллиардов солнечных масс, что составляет уже около одной восьмой части массы всей Галактики.
При этом явления, которые мы наблюдаем в ядре нашей звездной системы в настоящее время, представляют собой скорее всего лишь слабые отголоски былых, гораздо более бурных процессов, происходивших в ту эпоху, когда наша Галактика была моложе и богаче энергией. Во всяком случае, известны галактики, ядра которых ведут себя значительно активнее, а у некоторых звездных систем эта активность приобретает даже взрывной характер. Например, в ядре галактики М-82, судя по всему, несколько миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого было выброшено колоссальное количество газа. И сейчас эти газовые массы с огромной скоростью мчатся от центра Галактики к ее окраинам.
Астрофизики подсчитали, что кинетическая энергия взрыва в М-82 составляет около 3"1052 Дж. Чтобы сделать это число более ощутимым, достаточно сказать, что для получения такой энергии надо было бы взорвать термоядерный заряд с массой, равной массе 15 тысяч солнц…
Эти и другие подобные факты указывают на то, что ядра галактик, видимо, не только являются мощными источниками энергии, но и оказывают весьма существенное влияние на развитие звездных систем.
Еще более грандиозными источниками энергии оказались знакомые нам квазары, открытые в 1963 г. и расположенные на очень больших расстояниях от нашей Галактики, вблизи границ наблюдаемой Вселенной.
По своим размерам квазары не идут ни в какое сравнение с галактиками. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что поперечники их ядер составляют от нескольких световых недель до нескольких световых месяцев, в то время как поперечник нашей Галактики равен 100 тысячам световых лет. Однако полная энергия излучения квазаров примерно в сто раз превосходит энергию излучения самых гигантских известных нам галактик.
Более того, сейчас почти не остается никаких сомнений в том, что окружающая нас Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва и последующего расширения компактного сгустка сверхплотной горячей плазмы.
Все эти открытия показали, что во Вселенной происходят сложнейшие физические процессы, связанные с необратимыми изменениями космических объектов, исключающими возможность возврата к прежним состояниям. И подобные изменения совершаются не только медленно и постепенно, но и за сравнительно короткие промежутки времени, скачкообразно.
Таким образом, исследования последних десятилетий привели ученых к заключению, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна резкая нестационарность, которая выражается во взрывных явлениях, дезинтеграции, рассеянии и т. п. Подобные процессы связаны с образованием новых космических объектов, их превращениями, а также переходами материи из одного физического состояния в другое,
«…Развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное, - писал В. И. Ленин, - „перерывы постепенности“; превращение количества в качество;…взаимозависимость и теснейшая, неразрывная связь всех сторон каждого явления;…связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, - таковы некоторые черты диалектики…» [Ленин В. И, Карл Маркс, - Пола, собр. соч., т. 26, с. 55. 135].
Открытие нестационарных процессов во Вселенной убедительно подтверждает, что диалектический характер присущ не только процессу научного познания, но и самой природе.
Если с этой точки зрения взглянуть на нестационарные явления в космосе, станет ясно, что они представляют собой «поворотные пункты» в развитии космических объектов, где совершаются переходы материи из одного качественного состояния в другое, возникают новые небесные тела.
Стало ясно: представления классической науки о стационарном характере большинства космических процессов в действительности оказались лишь одним из первых приближений к истинной картине мира, приближением, возможности которого были ограничены как уровнем развития методов исследования, так и общим состоянием естествознания,
С другой стороны, надо отметить, что найти удовлетворительное объяснение природы нестационарных явлений во Вселенной в рамках современных фундаментальных физических теорий пока не-удается. С точки зрения этих теорий такие явления представляются весьма необычными, в высшей степени «диковинными».
Удастся ли объяснить их с точки прения существующих фундаментальных физических теорий или для этого потребуются совершенно новые идеи?
Одна из таких идей была выдвинута известным советским астрофизиком академиком В. А. Амбарцумяном. Согласно гипотезе Амбарцумяна, в ядрах галактик присутствуют сверхплотные сгустки «дозвездной» материи.
Весьма возможно, что эти сгустки непосредственно связаны с тем «первоначальным», сверхплотным веществом, в результате распада которого возникла Метагалактика. Не исключено, что в процессе взрыва и расширения «первоначальное» вещество прореагировало не все сразу.
Часть сгустков по тем или иным причинам могла на длительное время сохраниться в устойчивом состоянии; их последующий распад, возможно, и приводит к тем энергетическим «всплескам», которые происходят во Вселенной.
Но что может представлять собой сверхплотная дозвездная материя? Какова ее физическая природа? К сожалению, в настоящее время для сколько-нибудь обоснованного ответа на этот вопрос в нашем распоряжении слишком мало данных.
Складывается впечатление, что свойства дозвездной материи, если она действительно существует, столь необычны, что вряд ли их удастся описать с помощью известных физических теорий. Очень может быть, что здесь действуют какие-то физические закономерности, еще неизвестные современной науке.
Впрочем, с подобным выводом соглашаются далеко не все современные физики и астрофизики.
Вполне возможно, что объяснение гигантских космических энергий будет получено на совсем иных путях.
Термояд или…?
Проблема космических энергий связана не только с активными явлениями в ядрах галактик и квазарами, но и с отрицательными результатами нейтринных наблюдений Солнца.
Американский физик Р. Денис создал весьма чувствительную установку для регистрации солнечных нейтрино, Наблюдения проводились в течение длительного времени и принесли весьма неожиданный результат. Оказалось, что поток солнечных нейтрино по крайней мере в шесть раз меньше, чем это следует из существующей теории, основанной на предположении о термоядерной природе источников солнечной и звездной энергии.
О необходимости серьезной проверки этой теории говорят и некоторые другие результаты исследований Солнца, выполненных в последнее время.
Несколько лет назад на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР был создан высокочувствительный прибор для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей на Солнце - солнечный магнитограф. Наблюдения, проведенные с помощью этого прибора, позволили обнаружить весьма интересный факт. Оказалось, что солнечная поверхность ритмично пульсирует с периодом около 2 час. 40 мин., поднимаясь при каждой пульсации на высоту около 20 км.
Как считает академик В. А. Амбарцумян, открытие крымских астрономов имеет первостепенное значение.
Оно не только свидетельствует о качественно новом процессе на Солнце, но и должно дать важную информацию о внутреннем строении нашего дневного светила. Как показывают теоретические расчеты, значение периода пульсации Солнца непосредственно связано с его внутренним строением. Периоду, равному 2 час. 40 мин., соответствует более однородное распределение плотности и температуры, а также более низкие значения этих физических величин для центральной части дневного светила, чем это следует из современной теории строения Солнца. В частности, температура в центре Солнца в этом случае должна составлять не 15 миллионов градусов, а всего 6,5 миллионов.
Но при таких физических условиях термоядерная реакция не может обеспечить наблюдаемого выхода солнечной энергии.
Есть и еще одно независимое соображение, ставящее под сомнение справедливость термоядерной гипотезы. Дело в том, что в атмосфере Солнца (как и в атмосферах других подобных ему звезд) в значительных количествах присутствуют литий и бериллий. Но в случае термоядерных реакций эти элементы должны были бы давно «выгореть».
В последнее время вывод о пульсации Солнца, полученный крымскими астрофизиками под руководством академика А. Н, Северного, нашел подтверждение и в работах английских астрономов, проводивших наблюдения на известной французской обсерватории Цик дю Мюди.
Были предприняты и первые попытки объяснить это явление. Так, ученые Кембриджского университета (Англия) высказали предположение, что в центральной части Солнца содержится в два раза больше тяжелых элементов, чем предполагалось ранее. Однако подобная гипотеза неизбежно ведет к кардинальному пересмотру современных физических представлений о строении Солнца и звезд.
Дальнейшая проверка термоядерной гипотезы связана прежде всего с осуществлением новых нейтринных наблюдений дневного светила. Не исключена возможность, что нейтрино от Солнца все-таки летят, но их энергия ниже того порогового значения, на которое была рассчитана установка Девиса.
В связи с этим советские физики работают над созданием более чувствительных детекторов для регистрации нейтрино - на гелии и литии. Предполагается, что с помощью таких детекторов, которые будут установлены в подземной лаборатории, в недалеком будущем удастся осуществить новую, более точную проверку интенсивности потока солнечных нейтрино и тем самым установить, действительно ли термоядерная гипотеза нуждается в коренном пересмотре.
Интересна оценка, которую дает новым результатам исследования Солнца академик В.А.Амбарцумян.
Вопрос. Можно ли считать результаты, полученные академиком Северным, а также отрицательный результат нейтринных наблюдений Солнца неожиданными, поскольку они противоречат общепринятой гипотезе о термоядерном источнике внутрисолнечной и внутризвездной энергии?
Амбарцумян. Необходимо понять, что существующие теоретические модели являются настолько ориентировочными, что не выдерживают точных количественных сравнений, когда речь идет о новых явлениях.
Вопрос. Следовательно, когда речь идет о явлениях, изученных еще недостаточно, наблюдения важнее теоретических разработок?
Амбарцумян. Астрономия - наука прежде всего наблюдательная. Одно наблюдательное открытие такого рода, какое выполнено в Крыму, стоит больше тысячи неудачных теоретических работ, не имеющих под собой точной количественной основы. Будучи сам теоретиком, я решаюсь высказать это мнение откровенно.
Гравитационный коллапс и «черные дыры»
Вернемся к вопросу о геометрических свойствах Вселенной. Как мы уже знаем, они тесно связаны с характером распределения материи.
Представим себе, что Вселенная однородна и изотропна. Что это значит? Разобьем мысленно Вселенную на множество областей, каждая из которых содержит - достаточно большое количество галактик. Тогда однородность и изотропность означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы, для всех таких областей в по всем направлениям. Важнейшим свойством однородной и изотропной Вселенной является ее постоянная кривизна во всех точках пространства.
Однако в реальной Вселенной, особенно если рассматривать сравнительно небольшие ее области, материя распределена неравномерно. Ее концентрация различна для различных районов, а следовательно, различна и соответствующая кривизна. Она может быть меньше средней для всего пространства, а может и значительно ее превосходить.
В свое время известный американский физик Р. Оппенгеймер (1904–1967) рассмотрел, исходя из общей теории относительности Эйнштейна, любопытную возможность.
Если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то наступает беспрецедентная катастрофа - гравитационный коллапс катастрофическое стягивание вещества в точку, где плотность в принципе может достигать бесконечной величины.
В процессе сжатия величина поля тяготения на поверхности коллапсирующего объекта растет, и наступает момент, когда ни одна частица, ни один луч света не может преодолеть огромного притяжения и вырваться изнутри подобного образования наружу. Для этого надо было бы развить скорость, превосходящую скорость света, а это совершенно невозможно, так как скорость света - это максимальная скорость распространения каких бы то ни было реальных физических процессов в природе.
Таким образом, пространство сколлапсированного объекта как бы захлопывается, и для внешнего наблюдателя он фактически перестает существовать. Образуется так называемая «черная дыра»…
Впрочем, это было лишь чисто теоретическое исследование, проведенное, так сказать, впрок, по принципу, нередко применяемому физиками-теоретиками: если «то», то «это». Иными словами, рассматривается некоторая в принципе возможная воображаемая ситуация и выясняется, к каким следствиям она может привести.
Но в том-то и состоит сила научной теории, что очень часто в процессе дальнейшего развития естествознания воображаемая ситуация оказывается вполне реальной, и тогда заблаговременно, проведенное теоретическое исследование сразу приобретает практический интерес.
Так произошло и с предсказанием относительно существования «черных дыр». За последние годы в глубинах Вселенной был открыт целый ряд явлений, свидетельствующих о возможности концентрации огромных масс вещества в сравнительно небольших областях пространства.
В связи с этим астрофизики вспомнили о теории гравитационного коллапса. Дальнейшее развитие этой теории привело ученых к выводу, что «черные дыры» могут возникать на заключительных этапах жизни массивных звезд, масса которых в 3–5 раз превосходит массу Солнца. После того как источники энергии в недрах подобной звезды исчерпаются, она под действием собственного тяготения начинает сжиматься и превращаться в «черную дыру». Возможно, что «черные дыры» могут возникать во Вселенной и при иных обстоятельствах. Разумеется, для того чтобы убедиться в реальном существовании подобных объектов, одних только теоретических выкладок еще недостаточно. Необходимо обнаружить во Вселенной хотя бы одну реальную «черную дыру».
Однако задача эта весьма сложная. Одиночную «черную дыру» зарегистрировать невозможно: она ничем себя не проявляет. Поэтому возникла идея поиска «черных дыр» в системах двойных звезд. Около половины всех звезд нашей Галактики - это тесные двойные системы, где две звезды обращаются вокруг общего центра масс, причем довольно часто на очень близком расстоянии одна от другой.
Есть двойные системы, в которых одна звезда светит, а другая темная. Если масса темной звезды в 3–5 раз превосходит солнечную, то можно предполагать, что это погасшая звезда, которая после исчерпания внутренней энергии сжалась до стадии «черной дыры». Согласно расчетам советского ученого Р. Сюняева, при этом должен наблюдаться любопытный физический процесс. Если центральным компонентом в двойной системе является достаточно массивная звезда, то, как все подобные звезды, она должна выбрасывать большое количество газа, который будет засасываться в «черную дыру». Но газовые частицы попадают туда не прямым путем, а, так как вся система вращается, движутся вокруг «черной дыры» по спиралевидным траекториям и лишь постепенно приближаясь на критическое расстояние. Вокруг «черной дыры» образуется газовый диск. Вследствие трения газ разогревается до очень высоких температур, при которых возникает и интенсивное рентгеновское излучение.
В 1974 г. был обнаружен объект, как будто бы отвечающий всем указанным требованиям. Он расположен в созвездии Лебедя и получил наименование «Лебедь Х-1».
Это - двойная звезда. Ее светящийся компонент имеет массу, равную двадцати восьми массам Солнца, темный - десяти. Из этой области идет интенсивное рентгеновское излучение. Есть довольно веские основания предполагать, что указанный объект- «черная дыра».
Однако стопроцентной уверенности в этом пока еще нет. В астрофизике всегда приходится считаться с тем, что обнаруженные нами внешние физические проявления какого-то объекта теоретически могут соответствовать ожидаемым, но порождаться иной причиной. И чтобы окончательно убедиться в том, что «Лебедь Х-1» действительно «черная дыра», необходимы дополнительные разнообразные наблюдения.
Впрочем, во Вселенной имеется немало и других объектов, относительно которых существуют «подозрения», что они относятся к разряду «черных дыр». В какой, однако, мере эти подозрения обоснованы, покажет будущее.
Но если «черные дыры» действительно существуют, то свойства этих объектов весьма необычны. Они, бесспорно, являются достойными представителями «все более странного мира».
Прежде всего нелегко представить себе, каким образом гигантская масса может стянуться в геометрическую точку. Но мало этого…
Вообразим ситуацию, которую нередко рисуют авторы фантастических произведений. Путешественник на космическом корабле неосторожно приблизился к «черной дыре», и его затянуло в роковую бездну. Падая вместе с веществом, наш путешественник в какой-то момент пересечет ту критическую черту, из-за которой не может быть возврата, и устремится к центру «черной дыры». Что с ним произойдет дальше? Попробуем проследить его судьбу.
Приближаясь вместе с коллапсирующим веществом к центру «черной дыры», наш воображаемый наблюдатель обнаружит, что плотность и кривизна стремятся к бесконечности. Что это значит, мы даже представить себе не можем, поскольку наши современные физические теории к подобным состояниям заведомо неприменимы.
Однако есть одна любопытная гипотеза, согласно которой сжатие коллапсирующего вещества в какой-то момент затормозится, и до предела спрессованная материя вновь начнет расширяться.
Разумеется, реальный наблюдатель, попав в «черную дыру», был бы мгновенно скручен и разорван на атомы.
Но допустим, что воображаемый наблюдатель переживет чудовищное уплотнение и прочие «неприятности» и дождется начала обратного расширения. Продолжая двигаться с разлетающимся веществом, он еще раз, теперь уже в обратном направлении, пересечет критическую сферу и вновь окажется в «свободном» пространстве.
Но тут он столкнется с поразительной неожиданностью: это будет не то пространство, из которого он попал в «черную дыру», а пространство, расположенное по отношению к пространству нашей Вселенной в абсолютном будущем. В переводе на более понятный язык, это означает, что, сколько бы мы ни жили в нашем пространстве, в «то» пространство мы никогда не попадем, - только через «черную дыру», ибо смежное пространство, в которое она ведет, возникает, судя по всему, вместе с ее образованием. А обратного хода и вообще не существует.
Если все это действительно так, то «черные дыры» - не что иное, как входные отверстия сквозных тоннелей, соединяющих нашу Вселенную со смежными пространствами, своеобразные стоки, через которые вещество из нашего пространства перегоняется в соседние.
Напрашивается заманчивая возможность сопоставить с этим явлением те бурные выбросы вещества и энергии, которые мы наблюдаем в таких космических объектах, как квазары и ядра галактик. Не связаны ли квазары и ядра галактик с выходными отверстиями «черных дыр», расположенных в смежных вселенных?!
Вспоминается высказывание известного английского астрофизика Джемса Джинса, еще в 1928 г. предположившего, что центры галактик - это «особые точки», где материя втекает в наш мир из некоторого другого, совершенно постороннего пространства.
Не исключена также возможность, что по «тоннелям», связывающим различные миры, проникает не только материя, но и какие-то пока еще неизвестные нам воздействия, которые могут оказывать влияние на многие явления, происходящие в нашей Вселенной.
Однако эта заманчивая идея наталкивается на довольно простое возражение. В самом деле, если смежное пространство, связанное с «черной дырой», образуется лишь в момент ее возникновения, то во всей Вселенной может существовать лишь одно-единственное отверстие, соединяющее нас с той именно «черной дырой», которая-и породила наше пространство. Между тем квазары и активные ядра галактик мы наблюдаем в достаточно большом числе…
Но, может быть, все обстоит значительно сложнее, чем нам представляется? - До недавнего времени мы были убеждены в том, что наше пространство односвязно. Это значит, что во Вселенной нет оторванных друг от друга кусков, разделенных непреодолимыми «пропастями». Наличие «черных дыр» ставит односвязность мирового пространства под сомнение. А может быть, его геометрия еще запутаннее и возможны многочисленные причудливые переплетения смежных пространств, соединенных друг о другом через горловины, берущие свое начало в «черных дырах»?
Взгляд в будущее
Главные трудности на горизонте современной астрофизики связаны с открытыми во Вселенной нестационарными явлениями.
Исследования последних десятилетий показали, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна, как мы уже знаем, резкая нестационарность.
В. И. Ленин неоднократно подчеркивал, что все явления в мире выступают как единство (тождество) противоположностей. Это означает «признание (открытие) - противоречивых, взаимоисключающих, противоположных тенденций во всех явлениях и процессах природы…» [Ленин В, И, Пола. собр. соч., т. 29, с. 317].
Каждая из противоречивых сторон единого целого способна превращаться в свою противоположность; противоположности переходят друг в друга; взаимодействие, борьба противоположностей и есть источник развития.
В этом - ключ и к пониманию природы нестационарных объектов. Подобные объекты - это закономерные фазы эволюции космических объектов, поворотные пункты в развитии космических тел и их систем, связанные с переходами из одного физического состояния в другое.
Хотя удовлетворительно объяснить природу нестационарных явлений в рамках существующих представлений пока что не удается, нельзя отрицать, что законы и теории современной физики применимы к огромному диапазону условий и явлений. Но в то же время нельзя и абсолютизировать современную систему знаний о мире, представляющую собой лишь определенный этап в познании Вселенной. Эта система знаний лишь приблизительно и неполно отражает бесконечное многообразие мировых явлений и процессов, и она не только может, но и должна подвергаться уточнениям, обобщениям и дополнениям.
Уместно привести слова, сказанные по этому поводу известным советским ученым академиком АН Эстонской ССР Г. Н. Нааном: «На любом уровне развития цивилизации наши знания будут представлять лишь конечный островок в бесконечном океане непознанного, неизвестного, неизведанного. Всегда будут неразрешенные проблемы и неоткрытые законы, а каждая решенная проблема будет вызывать к жизни еще одну или несколько новых. Путь познания-дорога без финиша!»
Можно ли реально ожидать от современной астрофизики каких-либо сверхфундаментальных открытий?
В принципе это возможно. Но обнаружение новых законов природы может произойти лишь при изучении необычных физических условий и состояний материи. Возможно, одним из таких состояний является состояние сверхвысокой плотности в начале расширения Вселенной, в «черных дырах», а быть может, и внутри так называемых нейтронных звезд, обладающих чудовищной плотностью - миллионы и миллиарды тонн на кубический сантиметр. Во всяком случае законов, действующих в подобных условиях, мы пока не знаем. Так, есть предположение, что существует некая «элементарная длина», которая проявляет себя лишь в сверхплотных состояниях. И не исключено, что именно астрофизические исследования помогут ее обнаружить.
Ряд крупнейших современных ученых, таких как Ф. Хойл и Л. Бербидж, академик В. А. Амбарцумян, считают, что существующая физика явно недостаточна для объяснения явлений, происходящих в ядрах галактик и квазарах.
«Попытки описать их в рамках известных сейчас фундаментальных физических теорий, - пишет В. А. Амбарцумян, - встречаются с огромными, возможно, непреодолимыми трудностями. Я считаю, что именно от-астрономии следует уже в недалеком будущем ожидать выявления новых фактов, которые потребуют формулировки новых физических теорий, более общих, чем известные сейчас».
Однако, как отмечает известный советский физик-теоретик академик В. Л. Гинзбург, убедительный ответ на вопросы, о которых идет речь, не может быть получен с помощью одних только рассуждений и дискуссий - он будет дан лишь самой жизнью, т, е. последующим развитием науки.
В настоящее время поток информации о физических явлениях в космосе растет с каждым днем, в особенности благодаря освоению астрофизиками рентгеновского и гамма-диапазона электромагнитных волн.
Обнаружен ряд весьма интересных источников рентгеновского излучения, зарегистрированы загадочные мощные вспышки гамма-излучения. Дальнейшее изучение этих и других физических явлений в космосе будет способствовать углублению и расширению наших знаний о Вселенной.
Микромир и мегакосмос
То, что современная физика явно не завершена, что существующая физическая теория сталкивается с глубокими и серьезными трудностями и не дает ответа на ряд фундаментальных вопросов, признают и сами физики. Значит, вопрос сводится лишь к тому, откуда придут новые факты, необходимые, чтобы совершить очередной фундаментальный шаг вперед в познании закономерностей физических процессов. Будут эти факты получены в результате изучения Вселенной или добыты в области исследования микропроцессов?
На первый взгляд может показаться, что, несмотря на довольно тесное сотрудничество, астрономию и физику должны интересовать прямо противоположные задачи.
Для астрономов - это выяснение поведения объектов и процессов большого масштаба, раскрытие закономерностей мегакосмоса, который характеризуется колоссальным расстоянием - до 1028 см и огромными промежутками времени до 1017 с. Наоборот, физики занимаются изучением элементарных частиц и явлений, закономерностей микромира, проникая в ультрамалые субатомные пространственно-временные области, вплоть до 10~15 см и до 10–27 с.
Однако было бы неверно думать, что задачи, о которых идет речь, исключают друг друга, что между ними нет ничего общего. Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы называем Вселенной.
Какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. С другой стороны, многие микропроцессы являются отражением космических явлении, охватывающих колоссальные области пространства.
Необходимость совместного изучения микромира и мегакосмоса, исследования глубоких связей между микроявлениями и мегапроцессами диктуется еще и тем обстоятельством, что в том мире, в котором мы живем, в макромире, свойства «большого» и «малого» скрещиваются, словно лучи прожектора,
Ведь и мы сами, и все окружающие нас объекты состоим из элементарных частиц, и в то же время мы являемся частью мегакосмоса.
Как мы уже отмечали, современная физика микромира проникла в области явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10~15 см, а астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 1028 см. Сорок три десятичных порядка! Таковы масштабы того пространственного материала, в пределах которого современная наука имеет возможность получать информацию о природных процессах.
При этом обнаруживается знаменательный факт - физические законы, действующие на разных участках этой шкалы, даже на противоположных ее концах нигде не вступают в противоречия друг с другом.
Это обстоятельство, с одной стороны, служит весьма убедительным свидетельством в пользу справедливости одного из важнейших положений материалистической диалектики о всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы, а с другой - говорит о том, что наши научные теории верно отражают свойства реального мира.
Более того, можно предполагать, что в недрах некоторых космических объектов, таких, например, как квазары или ядра галактик, существуют физические условия, при которых области микро- и мегапроцессов как бы сливаются. Здесь достигаются столь большие плотности материи, что силы тяготения становятся сравнимыми с электромагнитными и ядерными силами, действующими в микромире. По выражению известного советского физика-теоретика Я, А. Смородинового, природа предстает здесь перед нами в своем самом сложном варианте. А это значит, что, видимо, именно здесь запрятаны ключи к выяснению астрофизической истории Вселенной.
Основа - вакуум
Поскольку, с одной стороны, все вещественные космические объекты, будь то звезды или галактики, планеты или туманности, состоят из элементарных частиц, а с другой - Вселенная нестационарна и ее прошлое нетождественно ее настоящему, то естественно возникает вопрос о том, всегда ли элементарные частицы существовали в том же виде; в каком они существуют в нашу эпоху,
Согласно одной из обсуждаемых в современном естествознании гипотез, состоянием Вселенной, предшествовавшим образованию начального сгустка горячей плазмы, в результате расширения которого образовалась Метагалактика, был вакуум.
В свое время считалось, что вакуум - это просто ничто, пустота, пространство, полностью лишенное материи, своеобразная арена, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы.
Но этим, на первый взгляд таким естественным, само собой разумеющимся представлениям суждено было со временем претерпеть весьма серьезные изменения. Сначала выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии М. Фарадей (1791–1867) утверждал, что «материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею».
Любая область пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-то другими видами материи - различными излучениями и полями (например, магнитными полями, полями тяготения и т. п.).
Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось гигантским вместилищем, содержащим бесчисленное количество материальных объектов. Однако в дальнейшем выяснились более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, изгнать из нее все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае осталось бы «нечто», определенный запас энергии, который у вакуума нельзя отобрать никакими способами.
Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц.
Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот (электромагнитный вакуум).
Таким образом, каждого из нас непрестанно пронизывает поток, состоящий из бесчисленного множества самых разнообразных частиц. Но так как эти частицы летят «и» всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем, как не ощущаем колоссального давления столба атмосферного воздуха, так как оно уравновешивается давлением воздуха изнутри организма человека.
Несмотря на всю свою кажущуюся неправдоподобность, представление о нулевых колебаниях вакуума отнюдь не эффектная физико-математическая конструкции.
В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц почему-либо нарушается и в каком-то направлении таких частиц движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания вакуума начинают себя проявлять. При атом должны возникать специфические эффекты, и некоторые из них удалось экспериментально зарегистрировать…
Итак, вакуум способен при определенных условиях рождать частицы, и не исключено, что именно вакуум породил те частицы, из которых впоследствии сформировалась Метагалактика.
Согласно некоторым теоретическим предположениям, окружающее нас пространство на чрезвычайно малых расстояниях обладает необыкновенно сложной мелкозернистой структурой с фантастической плотностью энергии.
В каждом кубическом микрометре этой среды содержится такое количество энергии, которого вполне достаточно для образования многих триллионов галактик.
Таким образом, само пространство, окружающее пас, представляет собой практически бездонный источник энергии. Но эта энергия «запечатана» мощными силами тяготения. Однако для самой природы этот гравитационный барьер, по-видимому, не является непреодолимым препятствием. Как уже было упомянуто, вакуум способен порождать вещественные частицы. И вполне возможно, что вес те могучие энергетические всплески, которые мы наблюдаем во Вселенной, представляют собой результат таких взаимодействий вещества, излучения и вакуума, при которых из вакуума черпается энергия.
Но если так, то нет ничего невозможного в том, что секретом извлечения энергии из вакуума овладеет и наука и тем самым на вечные времена избавит человечество от заботы об энергетических ресурсах.
Большое и малое
Изучение «черных дыр» приводит нас к еще одному несколько неожиданному и экзотическому выводу о возможной связи микро- и мегаявлений.
Как и всякий объект, имеющий некоторую массу, «черная дыра» обладает определенным полем тяготения. Но поскольку из «черной дыры» не может «вырваться» наружу ни один физический сигнал, это поле носит статический характер.
Если «черная дыра» к тому же обладает электрическим зарядом, то ее электромагнитное поле тоже должно быть статическим. При этом теория показывает, что оба эти поля практически не зависят от того, каким образом заряд и масса распределены внутри «черной дыры». Если в момент образования «черной дыры» это распределение было неоднородно, то любые неоднородности в дальнейшем очень быстро сглаживаются.
Таким образом, для внешнего наблюдателя «черная дыра», в сущности, выглядит как точечный объект, обладающий определенными массой и зарядом. Если «черная дыра» к тому же вращается, то ей можно приписать еще одну характеристику - так называемый спин.
Тем самым возникает очевидная аналогия с элементарной частицей, для которой масса, заряд и спин также служат основными физическими характеристиками.
Разумеется, на данном уровне наших знаний трудно сказать, что это только чисто внешнее сходство или отражение каких-то неизвестных нам глубинных зависимостей между микро- и мегакосмосом, но факт этот, бесспорно, заслуживает внимания. Тем более что несколько лет назад известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым была предпринята интересная попытка. В ряде работ он показал, что даже в рамках современных физических теорий целая Вселенная при определенных условиях может со стороны казаться внешнему наблюдателю элементарной частицей, скажем протоном или нейтроном.
Но являются ли в таком случае вообще все наблюдаемые нами частицы гигантскими Вселенными? Вселенными, которые проявляют себя в нашем мире как элементарные частицы? Иными словами, и в мегамире, как и в микромире, в принципе меньшее может состоять из большего…
Как подобраться к точке?
Если во Вселенной действительно много «черных дыр», то это означает, что в мировом пространстве имеется значительное количество точек, в которых плотность приобретает бесконечную величину. Такие точки называют сингулярными.
Интерес к сингулярности объясняется еще и тем обстоятельством, что, согласно теории расширяющейся Вселенной, она тоже «произошла» из сингулярности, грубо говоря, из точки. И каковы бы ни были различные варианты космологических моделей, устранить из них начальную сингулярность не удается. История Вселенной должна была либо начаться, либо периодически проходить через состояние точки с бесконечной плотностью, в которой любые объекты как бы прекращают свое существование.
Естественный вопрос: могут ли реальные физические величины обращаться в бесконечность?
Вообще говоря, бесконечности в физике могут быть не только «становящимися» или потенциальными, но и актуальными, т. е. «завершенными». В качестве примера актуальной бесконечности можно привести бесконечность пространства Вселенной, если она является незамкнутой.
Возникновение сингулярностей при гравитационном коллапсе вытекает из общей теории относительности. Однако к описанию физических процессов, происходящих вблизи сингулярных точек, современные физические теории, к сожалению, не применимы. Дело в том, что подобные состояния относятся не только к компетенции общей теории относительности. При больших плотностях должны возникать квантовые эффекты. А физической теории, которая объединила бы релятивистские и квантовые явления, пока что не существует.
В принципе не исключено, что поскольку общая теория относительности неприменима к описанию предсказанных ею же самой состояний с бесконечной плотностью массы в какой-то точке, то никаких сингулярностей вообще и не существует. Что касается их присутствия в теории, то это не что иное, как свидетельство неблагополучия, указание на то, что мы пытаемся применять общую теорию относительности за границами ее применимости. Но весь вопрос в том, где именно пролегают эти границы.
Идут споры о том, какой конкретно должна быть будущая общая физическая теория. Однако не вызывает сомнений необходимость четко выяснить границы применимости общей теории относительности в сильных гравитационных полях и вблизи сингулярностей.
По мнению многих крупных исследователей, построение квантовой гравитационной теории и квантовой космологии, которые работали бы при очень больших плотностях, а при плотностях умеренных переходили в обычную классическую теорию - в настоящее время является «задачей номер один» науки о Вселенной.
Проблема, о которой идет речь, самым тесным образом смыкается и с вопросом о физической природе нестационарных явлений, обнаруженных во Вселенной за последние годы. Речь идет о расширении звездных ассоциаций и скоплений галактик, активности ядер галактик и т. п.
И хотя в этих нестационарных явлениях мы прямо не сталкиваемся с сингулярностями, тем не менее большинство таких явлений связано с огромными концентрациями вещества и выделением колоссальных энергий.
Пока что удовлетворительно объяснить нестационарные явления в рамках современных физических теорий не удается. В принципе, возможны два пути. Быть может, с трудностями удастся справиться, объединив эйнштейновскую теорию гравитации с квантовой физикой. Но не исключено, что описать особые состояния материи во Вселенной (этой точки зрения придерживается академик В. А. Амбарцумян) можно, лишь допустив возможность нарушения известных законов физики в этих состояниях.
В таком случае потребуется не только расширение границ применимости общей теории относительности на область микропроцессов, но и существенное изменение или обобщение этой теории в области макропроцессов, т. е. в той области, где она сегодня применяется.
В сингулярном состоянии Вселенная фактически становится микрообъектом. Это обстоятельство еще раз свидетельствует о тесной связи между мегакосмосом и микромиром. И как подчеркивает ленинградский философ А. М. Мостепаненко, в связи с этим будущая теория элементарных частиц вряд ли может быть построена без учета космологических обстоятельств, с другой стороны, нельзя понять закономерности строения Вселенной, не учитывая свойств микрообъектов, из которых она в конечном счете состоит.
Поэтому руководящей идеей на пути создания квантовой теории гравитации должна стать идея воздействия микромира на мегамир. В этой связи большой интерес приобретают теоретические исследования эффекта рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электрических полях, в частности вблизи космологической сингулярности. Есть даже экзотическая гипотеза, по которой Вселенная, выйдя из «исходного» сингулярного состояния, поначалу вообще была пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума лишь в процессе ее дальнейшей эволюции.
Однако и в рамках такой гипотезы остаются существенные трудности, которые пока не удается преодолеть. Дело в том, что, согласно одному из фундаментальных законов физики, частицы могут рождаться только парами «частица» - «античастица».
Между тем, насколько сейчас известно, Вселенная в основном состоит из вещества. Очень может быть, что эффект рождения частиц из вакуума действует и в современной Вселенной в различных нестационарных процессах взрывного типа. Возможно, например, что электромагнитные поля некоторых космических объектов обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать рождение частиц. Но все эти проблемы требуют еще глубокого теоретического исследования.
Но одно ясно уже и сейчас. Какой бы ни стала будущая квантовая теория гравитации, она самым существенным образом изменит наши представления о пространстве-времени.
Необходимо также заметить следующее. Метод построения различных теоретических моделей является одним из весьма эффективных способов изучения Вселенной. Такими моделями являются, например, «Вселенная Фридмана» - теоретическая модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной или «Вселенная Зельманова» - модель неоднородной анизотропной Вселенной. В основе этих и других моделей лежат современные фундаментальные физические теории, прежде всего общая - теория относительности.
Однако всегда следует помнить, что модель - это еще не сама Вселенная, а только попытка отразить некоторые ее аспекты. Поэтому автоматически отождествлять выводы той или иной модели с реальностью было бы ошибочным.
Подтвердить справедливость той или иной модели могут только наблюдения. С другой стороны, даже самые экстравагантные теоретические построения заслуживают известного внимания, поскольку они могут вскрыть некоторые определенные свойства реального мира.
От элементарных частиц до Млечных путей
Взаимосвязь микро- и макропроцессов - одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.
Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся космические объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами.
Так, среди различных решений уравнений общей теории относительности, описывающих свойства и эволюцию Вселенной, как мы уже знаем, есть решение типа сингулярности (когда. в некоторой точке плотность достигает бесконечной величины). По существу, сингулярность - это некий аналог элементарной частицы. Вселенная в начальном сингулярном состоянии фактически превращается в элементарную частицу.
Возникает вопрос: нельзя ли с помощью уравнений общей теории относительности объяснить и некоторые свойства элементарных частиц, а наши знания о свойствах элементарных частиц использовать для выяснения физической сущности тех или иных явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной?
Одной из самых жгучих проблем современной астрофизики и естествознания вообще является проблема происхождения звезд и звездных островов-галактик.
На этот счет в современной астрофизике существуют две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной (ее обычно называют классической), космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи газа и пыли.
Другая концепция, развиваемая академиком В. А. Амбарцумяном и его школой и получившая название Бюраканской (по названию обсерватории), наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, «зародышами» звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.
В настоящее время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдать кому-либо из них окончательное предпочтение пока не представляется возможным. Это объясняется, с одной стороны, недостатком наблюдательных данных, с другой - возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов. В частности, никто никогда еще не наблюдал ни процесса сгущения диффузной материи в звезды, ни гипотетических сверхплотных тел.
В связи с этим известный советский астрофизик Б. А. Воронцов-Вельяминов не так давно высказал интересное предположение о том, что, быть может, в какой-то степени правы сторонники обеих точек зрения: не исключено, что в бесконечно разнообразной Вселенной совершаются как процессы концентрации материи, так и ее распада.
Интересная попытка построить космогоническую модель, которая в известной мере объединяла бы обе существующие концепции образования звезд и галактик, была предпринята советским физиком-теоретиком Р.Мурадяном.
Основная идея Мурадяна состоит в том, чтобы для выяснения физической сущности явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной, использовать некоторые свойства элементарных частиц.
В физике микромира на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на три класса: первый класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, второй - электрон и нейтрино, третий класс - адроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезоны-частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов.
Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты. Во всяком случае, современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.
Не являются ли в таком случае сверхплотные тела академика Амбарцумяна адронной формой существования материи? Подобная, на первый взгляд, весьма неожиданная идея, выдвинутая Р. Мурадяном, открывает интересные перспективы к построению единой теории образования космических объектов. Согласно новой гипотезе Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 1056 г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик.
Следующим этапом был распад на адроны с массами меньшими 1034 г. Это был своеобразный «фазовый переход» от адронной формы к ядерной. При этом возникли объекты типа нейтронных звезд. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения «протозвезды», а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой.
Однако если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда состоит из водорода и гелия, то в модели Мурадяна она может иметь различный химический состав в зависимости от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как сейчас принято считать, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это весьма важно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.
Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от «беспорядка» к «порядку», то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.
Нетрудно заметить, что в этой части эволюционная схема Мурадяна хорошо согласуется с идеями Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной она ближе к классической космогонии.
Разумеется, пока еще трудно говорить о том, в какой мере оригинальная модель Мурадяна соответствует реальной действительности, - разработка этой модели только начинается. Но новый подход к решению проблемы весьма интересен, поскольку сделана попытка объединить микроявления и космические процессы.
Как известно, одним из важных критериев справедливости той или иной теоретической модели служит ее способность предсказания определенных явлений. Если гипотеза Мурадяна верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она должна обладать собственным вращением, поскольку собственным вращением обладал исходный суперадрон. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то, во всяком случае, важным свидетельством в ее пользу.
Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели, в том числе и гипотеза Мурадяна, являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.
Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Все более совершенные и мощные средства астрономических исследований позволяют изучать все более удаленные космические объекты. Но, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.
Мир как он есть
Поскольку речь идет о строении и эволюции Вселенной, о научной картине мироздания, естественно возникает вопрос: почему мир такой, какой он есть? Именно такой, а не какой-нибудь другой?
Однако получить достаточно определенный ответ на таким образом поставленный вопрос вряд ли возможно.
Проблема сформулирована слишком расплывчато.
И видимо, не случайно, затрагивая ту же проблему, А. Л. Зельманов ограничился лишь утверждением о том, что Вселенная существует в том виде, в каком она есть, в силу внутренней необходимости.
Для того чтобы получить на интересующий нас вопрос исчерпывающий ответ, нам надо было бы выйти за рамки наблюдаемой Вселенной и охватить мир во всем его бесконечном разнообразии. А это, увы, невозможно как в принципе, так и по причинам чисто практическим,
Попробуем, однако, сузить задачу. Ограничить ее в такой мере, чтобы она приобрела реальный физический смысл. Очевидно, речь должна идти только о наблюдаемой Вселенной и тех ее свойствах, которые определяются известными нам закономерностями.
Что касается самого вопроса, на который мы хотим получить ответ, то он теперь будет выглядеть примерно таким образом: случайно ли то, что непосредственно окружающий нас мир обладает именно такими свойствами, а не какими-нибудь другими?
В подобной форме проблема становится вполне правомерной, поскольку именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.
Разобраться в этом необходимо еще и потому, что, как утверждают религиозные теоретики, стройность мироздания есть результат деятельности творца.
«Достаточно взглянуть на окружающую нас природу, - пишет русский православный священник Л. Гайдукевич. - Везде царит удивительный порядок. Каждое явление начиная с простейшей былинки и кончая мириадами звезд устроено целесообразно, разумно и совершенно. Все носит на себе печать постоянного попечения Вседержителя - Творца».
Прежде всего следует заметить, что определенную картину мира мы наблюдаем благодаря тому, что именно такая картина обеспечивает возможность жизни. Как остроумно заметил А. Л. Зельманов, мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей.
В частности, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем красное смещение в спектрах галактик. Взаимное удаление галактик и смещение их излучения в сторону длинных волн ослабляет энергию электромагнитных излучений, пронизывающих космическое пространство. Если бы галактики не разбегались, а сближались, в их спектрах наблюдалось бы не красное смещение, а фиолетовое - сдвиг в сторону высоких частот и жестких, коротковолновых излучений. Плотность излучения в такой Вселенной была бы столь высока, что исключала бы возможность существования биологической жизни…
Каковы наиболее распространенные формы тех космических объектов, которые нас окружают? Это звезды, пыль, газ. Что касается пыли и газа, то в газовых и пылевых туманностях сосредоточена значительная доля вещества Вселенной. Но это переходные формы.
Судя по всему, в современной Вселенной одной из наиболее устойчивых форм обособленных космических объектов является звездная форма. Случайно ли то, что в самых различных уголках наблюдаемой Вселенной материя концентрируется именно в звезды?
У известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли есть остроумный рассказ, в котором описывается, как некая космическая строительная фирма по заданию неких «заказчиков» создавала… Метагалактику. Разумеется, это шутка, и подобный прием понадобился писателю для того, чтобы выявить некоторые закономерности, своеобразные правила игры.
Вот в этих-то «правилах игры» - вся суть дела. Если у нас есть мяч и игроки, это еще далеко не все. С одним и тем же мячом можно играть в самые различные игры. Чтобы игра приобрела определенный смысл и характер, необходимо подчинить ее тем или иным правилам.
Поставим себя на место фантастических конструкторов Вселенной. Прежде чем приступить к ее созданию, нам пришлось бы пе только установить главные свойства ее основных элементов, но и разработать некий свод законов, определяющих поведение и взаимодействие всех без исключения материальных объектов.
Каковы же те законы, благодаря которым в реальной Вселенной преимущественным правом на существование пользуются именно звезды?
В живой природе, как известно, действует естественный отбор. Выживают только те организмы, которые наилучшим образом приспособлены к условиям внешней среды.
Похоже, что своеобразный естественный отбор действует и во Вселенной. В процессе движения материи могут возникать самые разнообразные объекты, но большинство из них оказываются неустойчивыми и быстро разрушаются.
И вместе с тем некоторые космические объекты, в основном звезды, почему-то являются достаточно устойчивыми и способными существовать довольно долго. Почему это так?
Видимо, дело в том, что во Вселенной действует некий «всеобщий регулятор». Есть соображение в пользу того, что этот регулятор - так называемая обратная связь.
В наше время, в эпоху бурного развития кибернетики, электроники и всевозможных автоматических процессов, этот термин широко известен. Обратная связь используется для управления полетом ракет, работой станков и механизмов, без нее не было бы радиоприемников и телевизоров и многого другого.
Если говорить просто, обратная связь - это корректировка тех или иных действий в зависимости от того эффекта, который они вызывают.
В кибернетике дается более точное определение. Представьте себе некую систему, скажем: автомобиль или самолет, мозг человека или космический корабль или, наконец, Солнце. Остановимся, к примеру, на самолете. Управляя самолетом, пилот переводит рычаги, нажимает те или иные кнопки это входные сигналы. И всякий раз самолет как-то реагирует на подобные действия: увеличивает или уменьшает скорость полета, набирает или теряет высоту, делает вираж или мертвую петлю. Это выходные сигналы. Обратная связь действует тогда, когда выходные сигналы влияют на входные, изменяя их соответствующим образом. Скажем, самолет чересчур круто теряет высоту, и пилот, заметив это, слегка берет штурвал на себя, уменьшая угол снижения.
Человек пользовался обратной связью задолго до того, как ученые сформулировали это понятие и стали применять его в различных технических системах. Предпринимая любое действие, мы не только обязательно учитываем его последствия, но и на ходу вносим необходимые поправки.
Нечто подобное происходит и в природе. Именно наличие обратной связи в целом ряде явлений окружающего мира и обеспечивает устойчивый, стабильный характер многих природных процессов. Простой пример: так называемый физический маятник. Всякое его отклонение от положения равновесия вызывает появление силы, которая возвращает маятник к этому положению.
Обратная связь проявляется не только в живой, но и в неживой природе. С саморегулирующимися системами мы встречаемся и в мире звезд, и в химических превращениях, и в электрических процессах - словом, чуть не на каждом шагу.
Характерный пример-наше Солнце.
Согласно современным физическим представлениям (которые, несмотря на неожиданные результаты нейтринных и некоторых других наблюдений, пока еще не отвергнуты и являются общепринятыми), могучая энергия нашего светила рождается в его глубоких недрах, где бурлит и клокочет термоядерная реакция. Человек, как известно, тоже овладел подобной реакцией и научился извлекать энергию, выделяющуюся при объединении ядер водорода в ядра гелия. Но пока что искусственная термоядерная реакция протекает мгновенно, а вся энергия выделяется в форме взрыва. Солнце же расходует энергию постепенно и неторопливо, поддерживая работу своей ядерной топки на строго определенном уровне.
Но как это - «поддерживая»? Ведь у Солнца нет ни собственного разума, ни «пульта управления», на котором работали бы какие-то разумные существа. Вот здесь-то мы и встречаемся с обратной связью и саморегулированием.
Судя по всему, термоядерный синтез водорода протекает в самой центральной области светила. Эта зона окружена со всех сторон чудовищными массами вещества. Могучее тяготение влечет их к центру Солнца, но этому препятствует колоссальное давление газов, рожденных в пламени термояда. Тем самым достигается относительное равновесие.
Но вот по какой-то причине интенсивность термоядерной реакции несколько падает. Тогда понижаются температура и давление, и под напором окружающего вещества зона реакции начинает сжиматься. Сжатие повышает давление и температуру, и реакция входит в норму. И наоборот, если почему-либо интенсивность синтеза возрастает, избыток энергии расширяет звезду. Расширение вызывает охлаждение центральной зоны, которое продолжается до тех пор, пока реакция не войдет в свою обычную колею.
Солнце - это частный случай, звезда, одна из конкретных форм существования материи. Но уже давно ученые подметили и некоторые общие закономерности - свидетельство того, что принцип обратной связи является одним из фундаментальных свойств мира.
Одна из таких закономерностей была найдена русским физиком Э. X. Ленцем (1804–1865) в электромагнитных явлениях. В школьных учебниках она излагается в виде «правила Ленца», которое имеет чисто практическое значение, - оно позволяет определять направление тока индукции. В действительности это один из случаев, иллюстрирующих принцип обратной связи. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитное поле которого в свою очередь противодействует изменениям, вызвавшим этот ток.
Подобные законы - некоторые из них, вероятно, предстоит еще открыть просматриваются во множестве других явлений. Именно обратной связью и естественным саморегулированием и объясняется отсутствие хаоса в природе, стройность мироздания.
Только тем космическим объектам, где действует обратная связь и осуществляется саморегулирование, обеспечено достаточно длительное существование. Нетрудно догадаться, что именно такие объекты будут встречаться чаще других. Вот и возможный ответ на заинтересовавший нас вопрос о том, почему так много звезд во Вселенной.
Но можно задать и такой вопрос: почему сами звезды именно такие, а не какие-нибудь другие? В связи с этим В. А. Амбарцумян высказал интересную мысль о том, что многие особенности строения Вселенной, в том числе и многие свойства звезд, как бы «заложены» в свойствах элементарных частиц. И если бы эти свойства были какими-либо иными, то и космические объекты выглядели бы иначе, чем в действительности.
Так, теория внутреннего строения звезд приходит к выводу, что предельно возможная масса звезды прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату массы ядра атома водорода - протона. Но этой формуле нетрудно рассчитать, что максимальная масса устойчивой звезды не может превосходить примерно 75 солнечных масс. Но это при-той массе, которой обладают протоны в нашем мире. А если бы масса протона была иной? Скажем, в сто раз меньшей? В таком мире могли бы существовать вполне устойчивые звезды с массами порядка десятков тысяч масс Солнца…
Но здесь неизбежно возникает следующий вопрос: почему протон имеет именно такую массу, а не какую-нибудь иную?
Ответ на этот и на другие подобные вопросы, которые потянутся один за другим, - дело будущего.
Современная картина мира и атеизм
Как мы уже отмечали, естествознание XIX столетия, в основе которого лежала классическая физика с ее абсолютной предопределенностью всех мировых событий, по существу, не оставляло места для какого бы то ни было божественного вмешательства.
Не случайно Лаплас в ответ на вопрос Наполеона о том, почему он нигде в своих научных трудах не упоминает о боге, ответил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе».
Революция в физике на рубеже XIX и XX столетий и все, что за ней последовало, убедительно показали неправомерность механистических представлений о мирозданье, разрушили стройную картину мира, выстроенную классической физикой.
Это обстоятельство дало повод современным религиозным теоретикам утверждать, что неклассическая физика XX столетия в отличие от классической будто бы не только допускает существование бога и сверхъестественных сил, но и дает этому убедительные подтверждения. «Новая физика уже одним своим появлением свидетельствует в пользу религиозных представлений. Физика ведет нас к вратам религии», - утверждает теоретик католицизма епископ О.Шпюльбек.
Да и некоторые деятели православной церкви, которая в общем-то предпочитает держаться подальше от сложностей современного естествознания, заняли примерно такую же позицию. Так, один из теоретиков православия архиепископ Лука прямо утверждал, что научные открытия начала XX столетия будто бы расшатали материалистические устои естествознания в пользу идеализма и религии.
Под впечатлением революционных преобразований в пауке сделали шаг в сторону религии и некоторые крупные естествоиспытатели. «Вероятно, можно сказать, - писал английский физик А. Эддингтон, - что заключение, которое можно вывести из… современной науки, таково, что религия впервые стала возможной для разумного ученого около 1927 г.».
Современные религиозные теоретики для оправдания религии пытаются использовать и то обстоятельство, что развитие естествознания в XX столетии привело ученых к выводу о бесконечном разнообразии природы и неисчерпаемости мира. Если мир неисчерпаем, заявляют они, в нем сохраняется место для бога.
В действительности ничего подобного не происходит.
Дело в том, что материализм классической физики был механическим, метафизическим материализмом, пытавшимся свести все мировые процессы к одной простейшей форме движения, исключавшим возможность качественных преобразований материи.
И новая, неклассическая физика XX столетия, а затем и астрофизика наносят удары не по материализму классической физики, а по ее претензиям на объяснение всего существующего с механических позиций. Неклассическая физика является не менее материалистической, чем классическая, но это материализм более высокого порядка - материализм диалектический.
И новая физика, и астрофизика отнюдь не нуждаются в гипотезе бога, они вскрывают естественную причинность и естественную закономерность всех явлений.
Ничего не меняет и то обстоятельство, что мир бесконечно разнообразен и неисчерпаем. Да, в процессе его изучения перед наукой возникают все более сложные проблемы. Но это закономерно - ведь задача науки и состоит в том, чтобы познавать более глубокую сущность явлений.
Закономерно и то, что в этом бесконечном процессе познания каждый новый шаг сопряжен с преодолением более серьезных трудностей.
Однако, как мы могли убедиться, наука всякий раз проходит пути их преодоления, раздвигая все дальше и дальше границы наших знаний.
Таким образом, и современное естествознание не дает абсолютно никаких оснований для пересмотра основного вопроса о материальном единстве мира.
Еще раз о революции в современной астрономии
Если рассматривать науку как социально обусловленную деятельность по производству знаний, то в развитии астрономии XX века можно выделить три этапа, каждый из которых характеризуется определенным отношением общества к науке о Вселенной.
В начале века некоторые разделы астрономии (астронавигация, измерение времени, геодезические измерения) рассматривались с чисто утилитарной точки зрения. А те разделы этой науки, которые являются основными, в частности астрофизика, на первый взгляд мало использовались в жизни общества. На астрофизические исследования смотрели лишь как на способ удовлетворения любознательности человека, желающего знать, в каком мире он живет, - Астрофизические исследования, осуществленные в то время, впоследствии нашли широкое применение в практике освоения космоса. Таким образом, и в ту эпоху астрономия была связана с практикой, но она моделировала будущую практику (практической наукой астрономия была даже во времена Коперника - и тогда она моделировала схемы будущей практики).
Исходными предпосылками астрономических исследований в начале XX столетия являлись: механическая картина мира, представления о Вселенной как части механической системы и о всемогуществе человека, который способен все исследовать и все узнать.
Революция в физике изменила связи между астрономией и обществом. Она создала такие предпосылки для дальнейшего развития науки о Вселенной, которых раньше не существовало. Изменения, которые произошли в системе знаний, открыли новые возможности для астрономической деятельности. Речь, в частности, идет о приложениях к изучению космических процессов общей теории относительности и квантовой механики.
Для первого этапа характерны два принципиальных достижения в науке о Вселенной: открытие расширения Вселенной (А. Фридман и Э. Хаббл - 20-е годы) и выдвижение идеи о закономерном характере нестационарных фаз в развитии космических объектов (В. А. Амбарцумян - 1934 г.). Правда, эта идея в то время еще не нашла воплощения в астрономических наблюдениях.
В целом астрофизика еще только начинала свой «бег».
Начало второго этапа революции в астрономии относится к периоду после второй мировой войны. Бурное развитие электроники, автоматики, радиотехники вызвало к жизни новые элементы деятельности, что привело к быстрому прогрессу астрофизики. Широкое развитие и убедительные подтверждения в астрономических наблюдениях получила идея Амбарцумяна о закономерности нестационарных этапов развития небесных тел. Астрофизика стала эволюционной наукой.
Анализ дальнейшего развития астрофизики показывает, что в последние годы в деятельности по производству астрономических знаний наступил новый этап - третий этап революции в астрономии.
Произошли революционные изменения в самом характере астрономической деятельности - астрономия стала всеволновой наукой. И поскольку это явилось результатом главным образом развития космической техники, то этап, о котором идет речь, можно с полным правом назвать космическим этапом.
В теоретическом отношении для этого этапа характерны попытки пересмотреть с новых позиций идею взрывающейся Вселенной, взглянуть на нее под иным углом зрения. Все больший размах приобретает тенденция рассматривать нестационарные явления во Вселенной не как процессы взрывного характера, а как проявления гравитационного коллапса, т. е. своеобразные антивзрывы. Таким образом, речь идет о направлении, по существу противоположном идее взрывающейся Вселенной.
Невольно возникает аналогия с ранними этапами развития астрономической науки. Система Птолемея пыталась объяснить строение мира, исходя из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной.
Коперник показал, что за этими видимыми движениями скрывается совсем иное явление - обращение Земли вокруг Солнца (т. е. мир не таков, каким мы его непосредственно наблюдаем).
Возникает закономерный вопрос: не является ли идея взрывов первой поверхностной стадией объяснения нестационарных явлений, а отрицающая ее идея коллапсов следующей, более глубокой стадией?
Ответить на этот вопрос пока затруднительно - идет борьба двух концепций. Однако необходимо иметь в виду следующее: будучи отрицанием системы Птолемея, система Коперника сама отнюдь не явилась окончательным решением вопроса о мироздании. В процессе дальнейшего развития науки она в качестве составной части вошла сначала в систему Гершеля о Галактике, а затем в систему о расширяющейся Метагалактике. При этом каждая из сменявших друг друга систем мира, в сущности, была описанием определенной ограниченной системы материальных объектов: система Птолемея явилась описанием шарообразной Земли, система Коперника - Солнечной системы, система Гершеля - нашей Галактики.
Таким образом, если проводить аналогию между ситуацией, сложившейся в современной астрофизике, и более ранними этапами развития астрономии, то события, происходящие в современной астрофизике, видимо, следует рассматривать как закономерный, но преходящий этап в познании сложных физических процессов, развертывающихся в бесконечно разнообразной Вселенной. Возможно, что взрывные явления и гравитационный коллапс есть две стороны единого процесса эволюции космических объектов, и в ходе дальнейшего развития науки они будут включены в систему явлений, имеющих более общую природу.
Почему я выбрал тему «Астроном-профессия прошлого настоящего или будущего»? Мне нравится труд астронома, я обожаю астрономию. В астрономии очень много вопросов, задаваемых простыми людьми и самими астрономами, основанные на словах есть ли и сколько, например: «Есть ли инопланетяне?» или «Есть ли у Вселенной граница?». Есть три раздела: жизнь, вживание и неизбежность. Жить и выживать очень тяжело, а о неизбежности можно только догадываться. Астрономы пытаются догадаться.
астрономия наука профессия
Общеизвестно, что многие древние сооружения ориентированы по странам света, но только сравнительно недавно учёные обратили внимание на археологические памятники, одной из основных целью которых было наблюдение небесных светил. Доисторические обсерватории были сооружениями-инструментами, т.е. отмечали места восходов и заходов светил. Такие сооружения обнаружены повсюду.
Солнцепоклонники верили: для того чтобы Солнце не перестало освещать Землю его надо умилостивить. Так возник храм. Однако Солнце было не только богом, но и первым надёжным ориентиром, поэтому к нему мог иметь отношение не только круг камней, но и отдельный установленный вертикально высокий камень. Такие камни были одновременно и первыми часами, и компасом, и календарём. Каменные сооружения такого типа называются мегалитами (от греч. «megas»-«большой» и «lythos»-«камень»).
Наиболее древним в Европе мегалитическим памятником, связанным с астрономией, считается Нью-Грейндж. Он был найден в Ирландии. Это сооружение из белых и серых камней, внутри которого находится узкий коридор, ведущий в небольшую комнату. Тоннель ориентирован на юго-восток точно на место восхода Солнца в день зимнего солнцестояния. Стены Нью-Гренджа расписаны узорами из кругов и спиралей, символизировавшими кольца времени.
Ньюгрейндж был храмом Солнца и времени. В его функции входила лишь одна астрономическая операция: определение начала года, которое его строители связывали с 21 декабря. Датируется Нью-Грендж примерно 3000 г. до н.э.
Стоунхендж (англ. Stonehenge, букв. «каменный хендж». Хендж вид ритуальных памятников, встречающихся только на Британских островах. Он состоит из округлого пространства, ограниченного рвом, с внешней стороны которого насыпан вал.) -- внесённое в список Всемирного наследия каменное мегалитическое сооружение находится на юге Англии.
Первые исследователи связывали постройку Стоунхенджа с друидами, раскопки, однако, отодвинули время создания Стоунхенджа к новокаменному и бронзовому векам. Современная датировка элементов Стоунхенджа основана на радиоуглеродном методе и показала, что наиболее древние части сооружения относятся к 3020-2910 гг. до н. э.
Ещё авторы XVIII века, что положение камней можно увязать с астрономическими явлениями. Выяснилось, что Стоунхендж был гигантской обсерваторией, построенной для того, чтобы следить за движениями Солнца и Луны. С его помощью решалась важнейшая задача - определение дня летного солнцестояния, когда Солнце восходило на северо-востоке, максимально близко к точке севера. От него начинали вести счет времени на целый год. Также при помощи камней определялся день зимнего солнцестояния, производились наблюдения заходов Солнца в дни летнего и зимнего солнцестояния.
Отдельные камни Стоунхенджа использовались для наблюдений Луны и предсказывания лунных затмений, которые считались опасными.
В республике Хакасии есть похожее место -- Салбыкские курганы в Долине царей.
