Концепции современного естествознания

В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению констант просто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемую константу сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселенная состояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.

Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительно удобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдатель не мог бы и возникнуть. В этом и заключается так называемый «антропный принцип», сформулированный Б. Картером в форме афоризма: «Я мыслю, следовательно, мир таков, какой он есть». На волне дискуссий о правомерности этого принципа появилось множество его разнородных формулировок. Обычно говорят о слабой и сильной версиях антропного принципа, отличающихся весьма значительно друг от друга. Суть слабой версии состоит в следующем: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей» (Б. Картер). Здесь самим своим существованием наблюдатель ограничивает предмет наблюдения.

Сильная версия антропного космологического принципа постулирует, что биологический отбор фундаментальных констант определяет специфику и структуру Вселенной, что возникновение Вселенной в значительной мере детерминировано существованием человека. Сильного принципа придерживаются Б. Картер, Ф. Холл, Б. де Витт. Американский физик Дж. Уиллер развивает антропный принцип в его сильной версии в рамках концепции «о соучаствующей Вселенной»: «Человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей существование». Эту концепцию он иллюстрирует явлением поляризации фотона, порожденного в самый ранний период существования Вселенной после Большого взрыва.

Основной недостаток антропного принципа заключается в том, что из него не выводится какой-либо предсказательный факт, позволяющий сохранить теорию или отбросить ее. Физики очень надеются на то, что в будущем, в рамках теоретической физики будут найдены способы объяснения совпадения чисел без привлечения биологического факта существования живых существ и человека.

4. Строение и эволюция галактик

В конце XIX века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.

Из чего же состоит Вселенная? Хорошо видимая на ночном небе полоса, густо усеянная звездами, - Млечный путь - представляет собой «вид в профиль» нашей галактики, той к которой принадлежит Солнце. Кроме Солнца, в нее входит еще порядка 150 миллиардов звезд. Галактика огромна, и межзвездные расстояния намного превосходят размеры самих звезд. Но наша галактика не единственна. Существует множество других, столь же гигантских, образующих Метагалактику - всю наблюдаемую Вселенную.

Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:

эллиптические, сфероиды различной сплюснутости, состоящие в основном из старых звезд;

спиральные, в «рукавах», которых находятся молодые звезды;

неправильной формы.

Все они образовались из протооблаков межзвездного вещества, обладающих различными массами и различными моментами количества движения - характеристикой, показывающей, как двигались различные части облаков относительно друг друга. В центрах галактик находятся ядра - компактные скопления огромного количества звезд, выделяющих гигантские энергии во всех диапазонах длин волн.

Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток, то о такой области пространства говорят как об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметно на окружающем фоне. Для сравнения: в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 10¹⁹ атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшем вакууме, который может быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 10⁵ атомов.

В 1963 году были обнаружены загадочные объекты - квазары, представляющие собой чрезвычайно компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики).

Основная космологическая проблема - откуда же взялось первоначальное облако межзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, - остается по-прежнему загадочной. Утверждение «Вселенная существовала всегда» оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает так называемый фотометрический парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место «красное смещение». И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, говорить о том, что равномерное распределение вещества сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В результате Большого Взрыва образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом свидетельствует существование так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной и наблюдаемого сейчас в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов. Что же дальше? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 10¹⁵ лет звезды остынут, через 10¹⁹ они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные "капли" превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 10⁶⁷ лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

5. Строение и эволюция звезд

Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд, можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд. Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы, связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический "ком" начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса "кома" велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического состава исходного облака зависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды. Светимость звезды - это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов. Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2.

По мере "выгорания" водорода в центре звезды ее масса немного меняется. Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда превращается в так называемый «красный гигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются «снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен теперь как Крабовидная туманность, «медленное» распространение которой по небу наблюдается в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне - эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «красным гигантом» превосходит массу Солнца в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой концептуальной модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат - «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.

6. Происхождение и строение Солнечной системы

В Солнечную систему входит Солнце, девять больших планет с их 34 спутниками, более 100 000 малых планет (астероидов), порядка 10¹¹ комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всех вращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон составляет 39,5 а. е., то есть 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 10¹⁵ а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд.

Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность - промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе. Поэтому изучение любого из тел Солнечной системы проливает свет на происхождение всей Солнечной системы, а вместе с тем и на происхождение, эволюцию и современное строение нашей Земли.

Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять свое движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.

Все большие планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон - обращаются вокруг Солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты - эклиптика принимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Планеты вращаются также вокруг своей оси, причем у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямом направлении, то есть в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.

Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, на столь близко расположенным к планете, что ее приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера.

Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров - в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, то есть движения в направлении обращения планет.

Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движением планет вокруг Солнца, причем массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы - ее поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. Момент количества движения планеты приобрели в процессе своего возникновения: он перешел к ним от того вещества, из которого они образовались.

Основная масса вещества, движущегося вокруг Солнца, содержится в девяти больших планетах. К их числу принадлежит и наша Земля. Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников. По своим физическим характеристикам они делятся на планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Данных о девятой планете - Плутоне - пока мало, но уже ясно, что ее нельзя отнести ни к одной из этих групп.

Планеты земной группы (как и наша планета) состоят из оксидов и других соединений тяжелых химических элементов: железа, алюминия и других металлов, а также кремния и других неметаллов. Из всех химических элементов преобладает кислород, входящий в состав большинства соединений. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия, а также таких соединений, как метан и аммиак. Химический состав этих планет близок к среднему химическому составу Солнца, в котором преобладают наиболее просто устроенные атомы водорода и гелия. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - гораздо массивнее, состоят в основном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится также до 20% каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах конденсироваться во льды. У Урана и Нептуна льды и каменистые вещества составляют главную часть их массы.

Недра планет и некоторых крупных спутников (например, Луны) находятся в раскаленном состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малой теплопроводимости наружных слоев внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый ими от Солнца.

Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы постепенно переходят в конденсированное состояние.

Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам-гигантам: они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему составу относятся к каменистым планетам земной группы. Только недавно открытый астероид Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далеких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра прогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада) показали, что они, а, следовательно, и вся Солнечная система существует около 5 млрд. лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями возрастов древнейших земных и лунных образцов.

Динамические и физические особенности строения Солнечной системы указывают на то, что планеты сформировались из газопылевого вещества, некогда образовавшего протопланетное облако вокруг Солнца. Планеты земной группы образовались в результате аккумуляции каменистых твердых частиц, а у планет-гигантов образование началось с аккумуляции каменисто-ледяных частиц, а потом на некотором этапе их роста дополнилось присоединением газов, в основном водорода и гелия.

Согласно современным представлениям, все тела, обращающиеся вокруг Солнца, имеют общее происхождение. Они возникли в ходе продолжавшегося несколько миллиардов лет процесса эволюции огромного первоначально холодного газопылевого облака, частицы которого двигались по самым разнообразным орбитам вокруг Солнца, находившегося тоже в стадии формирования.

Столкновение частиц и обмен энергией между ними приводили к изменению их орбит и формы облака в целом. Орбиты частиц становились круговыми, а облако постепенно сплющивалось. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие, и эти сгустки образовывали вокруг Солнца диск, толщина которого была в тысячу раз меньше его диаметра.

В первоначально однородном по своему составу облаке происходило одновременно перераспределение вещества. Сильный нагрев облака вблизи Солнца привел к тому, что наиболее распространенные в нем водород и гелий улетучивались на окраины, а в его центральной части остались только твердые тугоплавкие частицы. Из них-то и образовались планеты земной группы. В удаленных от Солнца частях газопылевого облака царила низкая температура, поэтому газы здесь намерзали на твердые частицы. Планеты-гиганты образовались из этого вещества, в составе которого преобладает водород и гелий.

В планетах на протяжении миллиардов лет происходили процессы расплавления, кристаллизации и другие физико-химические процессы, которые значительно изменили первоначальный состав и строение вещества, из которого образовались все ныне существующие тела Солнечной системы.

Далеко не все сгустки выросли в планеты. Многие остались в Солнечной системе в виде астероидов, и более мелких метеоритных тел. На окраинах Солнечной системы эти сгустки в виде ледяных глыб существуют до сих пор. В этом космическом холодильнике в виде ядер комет сохранилось в неизменном виде вещество допланетного облака.

Современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия приводит серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения 16 звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационного связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера, по аналогии с Солнечной системой указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Сегодня существует много гипотез о происхождении Солнечной системы. Согласно одной из самых интересных версий (Х. Альвена и Г. Аррениуса) Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад. Причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Солнечная система возникла из продуктов жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках. Авторы исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разряженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.

Солнце имеет магнитное поле. Источником плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы практически погружены в разряженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изотопном составе тех же элементов на Солнце. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, из которого и образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них существовали в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, т.е. с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделилось 3-4 концентрических области, плотность частиц в которых примерно на 7 порядков превышала плотность таких же частиц в промежутках. Это объяснило тот факт, что вблизи Солнца расположены планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см³), а планеты-гиганты имеют намного меньшую плотность (1 - 2 г/см³). Метеориты и кометы формировались на окраине Солнечной системы за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала особая плазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частиц привело в этих областях к единственно возможному результату - к образованию каменных тел.

Сегодня есть уникальные сведения о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.

Совсем недавно появилась еще одна версия происхождения Солнечной системы, согласно которой все тела, вращающиеся вокруг Солнца: планеты, кометы, астероиды, метеориты в разное время рождены в плазме Солнца и им же выведены на орбиты.Планеты выводились Солнцем на первоначальные (околосолнечные) орбиты через временные интервалы 1,2-1,7 млрд. лет в виде плотных слоистых сфер, имеющих температуру внутри, близкую к абсолютному нулю. Слои сферы были сложены атомами химических элементов: каждому слою соответствовал тот или иной химический элемент. Сферы имели горячую плазменную атмосферу и собственное свечение.

Орбиты планет не замкнутые, а спиралевидные, т.е. все планеты удаляются от Солнца. Рожденные первыми Нептун и Плутон, имеющие возраст около 12 млрд. лет, успели удалиться на окраину Солнечной системы, а молодой Меркурий, возраст которого 1,7 млрд. лет, вращается относительно недалеко от Солнца. Возможно, существует совсем юная планета, имеющая возраст десятки тысяч лет. Ее орбита находится в непосредственной близости от Солнца внутри его короны. Юная планета невелика, обладает собственным свечением, возможно, такой же яркости как Солнце и поэтому на фоне Солнца заметить ее довольно сложно.

Спутники планет-гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна - рождены и выведены на орбиты самими планетами. То есть спутники названных планет - это «внуки» Солнца. Удаляются от Солнца, обращаясь по более сложным, но не замкнутым, орбитам и остальные тела Солнечной системы. Кометы, имеющие параболические орбиты, скорее всего, пришельцы из других звездных систем.

Дифференциация химического состава планет позволяет предположить, что в процессе образования химических элементов в плазме Солнца должна существовать некоторая эволюционная периодичность, направленная от простых элементов к более сложным. Рождение планеты соответствует завершению образования химических элементов того или иного периода периодической системы Менделеева. Рожденные первыми внешние планеты (Плутон, Нептун, Сатурн, Юпитер) сложены химическими элементами 1-4-го периодов. Элементов более высоких периодов во время их образования на Солнце еще не было. Земля родилась 7-ой по счету, если считать Нептун и Плутон, родившимися совместно. Поэтому в химическом составе Земли наблюдается 7 периодов элементов. Марс был рожден шестым, поэтому в его химическом составе должны отсутствовать все элементы 7-го периода или частично, например, уран. По этой же причине, возможно, что на Венере, Меркурии и Юной планете могут быть новые более сложные и тяжелые элементы с порядковыми номерами значительно выше урановых.

Земля зародилась в плазме Солнца и выведена им на околосолнечную орбиту более 4,5 млрд. лет назад. Новорожденная была довольно шустрой. Она облетала вокруг Солнца примерно за 8 часов, а на оборот вокруг своей оси затрачивала около одного часа. Юная Земля представляла собой сферу радиусом в 1,5-2 раза меньше радиуса современной Земли. Внутри сфера имела тонкослоистое строение, где каждый слой плотностью от 5 до 500 м (всего 150-200 тыс. слоев) был сложен тем или иным элементом периодической таблицы Менделеева и имел температуру, близкую к абсолютному нулю. Поверхность Земли имела тонкий расплавленный слой, образовавшийся вследствие разогрева замороженных атомарных слоев и перехода их в молекулярное состояние еще в плазме Солнца. Поверхностный слой представлял собой магму основного состава с температурой выше 1500 градусов. У Земли была горячая плазменная атмосфера, поэтому юная Земля светилась как звезда.

На околосолнечной орбите под действием мощных центробежных сил, имевших место вследствие быстрого осевого вращения Земли, часть расплавленного слоя в виде большой капли отделилась от Земли и стала вращаться вокруг нее. Так образовалась Луна. За 4,5 млрд. лет Земля и Луна удалились по спирали от Солнца и заняли предопределенные им законом тяготения современные орбиты. Луна за это время изменилась не сильно. Она лишь остыла и увеличила околоземный радиус орбиты. В настоящее время Луна представляет собой практически однородную сферу, выполненную магматическими породами основного состава. В ядре Луны не исключено присутствие еще не остывшей расплавленной магмы также основного состава.

Основные понятия темы:

Вселенная - (1) весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

- (2) часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.

Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

Космогония - учение о происхождении и эволюции космических тел и их систем.

Космология - учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании той ее части, которая доступна для астрономических наблюдений и других способов ее изучения.

Сингулярность - начальное сверхплотное состояние Вселенной.

Галактика - гигантские (до сотен миллиардов звезд) звездные системы.

Звезда - самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов.

Протозвезда - обособившиеся из газопылевого облака в результате его гравитационной неустойчивости плотной конденсации вещества, в недрах которых еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций - основного источника энергии звезд.

Белые карлики - звезды, отличающиеся большой плотностью вещества, имеющие размеры и светимость, в сотни и тысячи раз меньшие, чем размеры и светимость Солнца, и вместе с тем высокую температуру.

Красный гигант - звезда высокой светимости, в сотни и тысячи раз превышающая размеры Солнца.

Сверхновая звезда - звезда, излучающая во время вспышки свет в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце.

«Черная дыра» - космический объект, обладающий гигантскими силами тяготения и ничего из себя не выпускающий.

Квазар - мощный источник космического радиоизлучения, представляет собой, скорее всего, исключительно активные ядра очень далеких галактик.

Пульсар - источник космического радиоизлучения с очень большой стабильностью периода.

Планета - массивное небесное тело шарообразной формы, которое движется вокруг Солнца и светит отраженным светом.

Астероид - малые планеты.

Реликтовое излучение - фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К.

Световой год - единица для измерения расстояний во Вселенной, соответствует длине пути, который проходит свет за 1 год.

Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира

1. Развитие представлений о пространстве и времени в истории науки

Классическая концепция пространства и времени

Пространство и время - основные понятия физики, и в то же время универсалии культуры (выраженные в категориях философии), имеют длительную историю.

Впервые понятие пространства как пустоты появляется у Демокрита. Существуют атомы, и пустота необходима для их соединения и перемещения. Евклид в своем труде «Начала» придал строгую математическую форму пространственным характеристикам объектов. Зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Птолемей в своем труде «Альмагест» изложил свою геоцентрическую систему, которая господствовала в естествознании до XVI века. Это первая универсальная математическая модель мира, где время бесконечно, а пространство конечно, где происходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коперник в своей книге «Об обращении небесных сфер» изложил гелиоцентрическую систему, которая разрушила прежние представления и направила мысль к пониманию безграничности и бесконечности пространства. Джордано Бруно в труде «О бесконечности, Вселенной и мирах» связал воедино бесконечность Вселенной и пространства. Его выводы получили свое обоснование в небесной физике Кеплера и Галилея. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» Галилей сформулировал два основных принципа механики: принципа инерции и принципа относительности. По существу эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Согласно принципу относительности Галилея все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, т.е. таких, которые покоятся или двигаются равномерно и прямолинейно. Законы движения выражаются одной математической формой: уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, они инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.

Р. Декарт обосновал единство физики и геометрии, он пришел к отождествлению материальности и протяженности. Он ввел систему координат. Галилей и Декарт подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в классической механике.

Ньютон в классической механике представляет новую гравитационную модель Вселенной. Она опирается на закон всемирного тяготения. Сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. «Математические начала натуральной философии» (1687) почти на 200 лет определили развитие естествознания. Он сформулировал понятия движения, пространства и времени:

Пространство является бесконечным, плоским, прямоугольным, эвклидовым, т.е. метрические свойства описываются геометрией Евклида. Пространство рассматривается как абсолютное, пустое, однородное, изотропное и является «вместилищем» материальных тел и не зависимой от них инерциальной системой.

Время - абсолютно, однородно, равномерно текущее, синхронно и однообразно во всей вселенной, и как чистая длительность, не зависимо от свойств материальных объектов.

Эта концепция пространства и времени получила название субстанциональной, в ней пространство и время рассматриваются как самостоятельные сущности.

В XVII в. выдающийся немецкий философ Г. Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени: пространство - порядок сосуществования объектов, время - последовательность их смены. Однако она не оказала влияния, т.к. была недостаточной для объяснения законов движения.

Поэтому почти двести лет господствовала субстанциональная (классическая) концепция пространства и времени.

Рассмотрим две инерциальные системы:

точка М неподвижна относительно первой системы координат и ее координаты (x, y, z). Вторая система координат движется относительно первой в направлении оси x со скоростью v. Уравнения Галилея для случая равномерного движения вдоль оси подвижной системы относительно неподвижной имели такой вид:

x = x - vt; y = y; z = z; t = t.

Пример: два наблюдателя, один из которых находится на перроне и не подвижен по отношению к другому. С точки зрения второго наблюдателя первый движется к концу поезда.

Уравнения называются преобразованиями Галилея. Следствием из них является правило сложения скоростей: скорость движения одного объекта относительно другого является суммой или разностью их скоростей по отношению к неподвижной системе координат.

Опыты по измерению скорости света относительно Земли, проводимые в 1881 г. Морли и Майкельсоном, привели к парадоксальному результату, - нарушалось правило сложения скоростей:

c + v = c - v = c.

Парадокс был разрешен А. Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО). В 1905 г. он выступил с докладом «К электродинамике движущихся сред». Релятивистская физическая теория наряду с квантовой теорией легли в основу физики и всего естествознания ХХ в.

СТО базируется на двух постулатах:

Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (принцип относительности).

Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света (принцип постоянства скорости света).

Скорость света - предельная скорость распространения материальных воздействий, по отношению к скорости света все движущиеся тела на Земле имеют скорость, равную нулю.

Эйнштейн использовал преобразования Х.А. Лоренца:

.

Выдающийся нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц придумал их в 1904 г. для того, чтобы законы электромагнетизма (уравнения Максвелла) сохранили свой вид при переходе из одной инерциальной системы в другую (ведь явления электромагнетизма не зависят от того, с какой скоростью движется система отсчета). Преобразования Лоренца количественно выражают тот факт, что о времени и о пространстве (координатах) нельзя говорить как о независимых друг от друга понятиях.

Эйнштейн доказал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (это возможно только в абсолютном пространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными являются, не только движение, но и пространство и время.

В теории относительности в отличие от второго закона Ньютона, где масса считалась постоянной, масса зависит от скорости движения:

.

Движение тел невозможно со скоростями близкими к скорости света, т.к. масса при этом растет и приближается к бесконечности. Как шутят по этому поводу физики, можно стать миллионером, разогнав до космической скорости одну-единственную золотую монету. Только, во-первых, этот миллион уйдет на строительство ускорителя, а во-вторых, полученным богатством при таких скоростях трудно будет воспользоваться. Зависимость массы от скорости - это чисто релятивистский эффект. Как и другие релятивистские эффекты, он проявляется только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Его наблюдают, например, в ускорителях заряженных частиц.

Альберт Эйнштейн объединил своей СТО пространство и время в единый пространственно-временной континуум. Из этого следует, что положение любого тела определяют четыре параметра (x, y, z, t). Эта теория потребовала другой геометрии (неэвклидовой) и нашла выражение в 4-хмерном мире Германа Минковского. Положение любого объекта описывает мировая линия, которая находится внутри конуса, описываемого лучом света.

В 1908 году немецкий математик Г. Минковский, развивая идеи теории относительности, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Здесь имеются в виду два обстоятельства:

1) относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета; 2) то, что пространство и время тесно связаны между собой (это главное). Они есть проявления некоторой единой сущности - четырехмерного пространства-времени. Вот этой их неразрывности и не знала прежняя физика. Что же представляет собой эта неразрывная связь?

Пространственные расстояния можно определять, измеряя время, за которое свет или вообще любые электромагнитные волны проходят измеряемое расстояние. Это так называемый метод радиолокации. Расстояние измеряется просто умножением постоянной скорости С на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и никому бы и в голову не пришло так просто измерять расстояния.

Можно поступить и наоборот: измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, отстоящими на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.

Понять четырехмерный континуум не трудно, сложно наглядно представить себе четырехмерный мир. Очень просто нарисовать плоские геометрические фигуры на листе бумаги - они имеют длину и ширину. Гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве - пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т.д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности. Стивен Хокинг, например, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности так и говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!». Но при этом специалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так в пространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела. Если по горизонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикальной (оси ординат) - отложить время. Для каждого момента времени отмечаем положение тела. Если тело покоится, то есть его расположение не меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью - мы получим наклонную прямую. При произвольных же движениях получается кривая линия. Такая линия получила название мировой линии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только по одному направлению, но и по другим двум в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать движение тела в четырехмерном пространстве-времени.

Внешне это выглядит как «равноправие» пространства и времени, их значения просто отложены по разным осям координат. Но все же разница между ними существенная: в пространстве можно быть неподвижным, а во времени - нельзя. Мировая линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. Мировая линия не может остановиться, оборваться в какой-то момент, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.

Независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретики используют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и так далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерный мир называют пространством-временем Минковского.

В то же время объяснительные и предсказательные функции СТО с точки зрения классических представлений выглядят явно парадоксально. Знаменитые парадоксы СТО:

парадокс одновременности: два события, происходящие одновременно в разных местах одной системы отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета.

х₁ х₂ , t₁ = t₂ , тогда t₁ t_2.

парадокс длины: длина l тела, измеренная в неподвижной системе отсчета, и длина l того же тела, измеренная в движущейся системе отсчета, не одинаковы и связаны соотношением: l= l 1-v²/c²

парадокс времени: время t протекания процесса в движущейся системе отсчета и время t протекания этого же процесса в неподвижной системе отсчета не одинаковы и связаны соотношением:t =t 1- v²/c²