Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. Она же является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все, сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом. Эйнштейн первым попытался серьезно проанализировать проблему одновременности, использовав для этого мысленный эксперимент.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, где находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Именно они стали новой интерпретацией преобразований Лоренца, потребовали кардинального изменения представлений о пространстве и времени, выработанных еще классической физикой. Относительными становятся не только скорости, траектории тел, как в классической механике, но и пространственно-временные характеристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, - линейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказывается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда, эти изменения становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы с иной скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть очень большой, сравнимой со скоростью света.

Таким образом, релятивистские эффекты - это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е. двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности все процессы в инерциальных системах протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Поэтому в качестве примера обычно берут воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты, летящий к далеким звездам. Неподвижный наблюдатель при этом сможет зафиксировать три релятивистских эффекта:

1. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, чего не может быть.

2. Увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс².

3. Замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию, был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт, с точки зрения земного наблюдателя, старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил, что его брат значительно старше его самого. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем больше будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из процесса развития на Земле.

Казалось бы, можно рассматривать ракету как покоящуюся систему отсчета, а Землю - как движущуюся, и тогда утверждать, что больше постареет космонавт. Но на самом деле ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, так как она во время разгона и торможения движется с ускорением.

Современный уровень развития науки и техники пока не позволяет построить фотонные ракеты, с помощью которых можно было бы проверить выводы специальной теории относительности. Тем не менее экспериментальные доказательства основных положений специальной теории относительности все же существуют. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега пи-мезонов (пионов), возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

Следует подчеркнуть, что релятивистские эффекты будут проявляться только при движении тел со скоростью, сравнимой со скоростью света. На малых скоростях уравнения специальной теории относительности будут давать практически те же результаты, что и формулы классической механики, как этого требует принцип соответствия.

Создание специальной теории относительности стало качественно новым шагом в развитии науки, одной из первых теорий, созданных современной наукой. В отличие от классической науки (классической механики) специальная теория относительности органично включает в себя наблюдателя, который только и может заметить релятивистские эффекты. Описание физических процессов в этой теории также не является универсальным, а зависит от выбора системы координат. Да и описывается в ней не сам физический процесс, а результат взаимодействия этого процесса со средствами исследования. Отсюда становилось все яснее, что ученый перестает быть зеркалом, пассивно отражающим окружающий мир, как это считала классическая наука, а сам непосредственно формирует объект своего познания. Таким образом, идея неразрывной связи субъекта и объекта познания является одним из краеугольных камней современной науки.

Общая теория относительности

В рамках этой теории, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 гг., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто еще называют теорией тяготения. В ней были описаны новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей теории относительности - расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность (неизменность) законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл по отношению к фактору, его определяющему.

Второй постулат - принцип постоянства скорости света - остается неизменным.

Третий постулат - принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Так, в законе всемирного тяготения, сформулированном Ньютоном, сила тяготения всегда пропорциональна массе того тела, на которое она действует (F=Gm₁m₂ / r²). Но во втором законе Ньютона сила, сообщающая телу ускорение, тоже пропорциональна его массе (F = та). В первом случае речь идет о гравитационной массе, которая характеризует способность тела притягиваться к другому телу, во втором случае - об инертной массе, которая характеризует поведение тела под действием внешних сил, является мерой инертности тела. Но в случае свободного падения тела с ускорением 9,8 м/с² оно не зависит от массы. Это установил в своих опытах еще Галилей. Более точно эквивалентность этих масс была установлена в 1890 г. венгерским физиком Л. Этвёшем. Сегодня эти выводы подтверждены с высокой степенью точности.

После создания специальной теории относительности Эйнштейн задумался о том, меняются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от скорости движения. Теоретический анализ, проведенный ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Аналогично, наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не сможет определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения. Именно на основе принципа эквивалентности был обобщен принцип относительности, о чем мы говорили выше.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях. Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась.

Геометрия Евклида носит аксиоматический характер, исходит из пяти аксиом и подразумевает одинаковость, однородность пространства, которое считается плоским. Но постепенно многих математиков эта геометрия перестала удовлетворять, так как пятый постулат ее не был самоочевидным. Речь идет об утверждении, что через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. С этой аксиомой связано утверждение о сумме углов треугольника, всегда равной 180°.

Если заменить эту аксиому другой, то можно построить новую геометрию, отличную от геометрии Евклида, но столь же внутренне непротиворечивую. Именно это и сделали в XIX в. независимо друг от друга русский математик Н.И. Лобачевский, немец Б. Риман и венгр Я. Больяй. Риман использовал аксиому о невозможности проведения даже единственной прямой, параллельной данной. Лобачевский и Больяй исходили из того, что через точку вне прямой можно провести бесчисленное множество прямых, параллельных данной.

С первого взгляда эти утверждения звучат абсурдно. На плоскости они и в самом деле неверны. Но ведь могут существовать и иные поверхности, на которых имеют место новые постулаты.

Представьте себе, например, поверхность сферы. На ней кратчайшее расстояние между двумя точками отсчитывается не по прямой (на поверхности сферы прямых нет), а по дуге большого круга (так называют окружности, радиусы которых равны радиусу сферы). На земном шаре подобными кратчайшими, или, как их называют, геодезическими, линиями служат меридианы. Все меридианы, как известно, пересекаются в полюсах, и каждый из них можно считать прямой, параллельной любому меридиану. На сфере выполняется своя, сферическая геометрия, в которой верно утверждение, что сумма углов треугольника всегда больше 180°. Представьте себе на сфере треугольник, образованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между меридианами и экватором равны 90°, и к их сумме прибавляется угол между меридианами с вершиной в полюсе. На сфере, таким образом, нет непересекающихся прямых.

Существуют также поверхности, для которых оказывается верным постулат Лобачевского и Больяя. Это седловидная поверхность, также называемая псевдосферой. На ней сумма углов треугольника всегда меньше 180° и невозможно провести ни одной прямой, параллельной данной.

После того, как Эйнштейн узнал о существовании этих геометрий, возникли законные сомнения в евклидовом характере реального пространства-времени. Стало ясно, что оно искривлено. Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд и планет. Шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше их масса, что наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела и подтверждает правоту Римана.

Так, Земля создает вокруг себя искривленное пространство-время, которое называется полем тяготения. Именно оно заставляет все тела падать на Землю. Но чем дальше мы будем находиться от планеты, тем слабее будет действие этого поля. На очень большом расстоянии поле тяготения будет настолько слабым, что тела перестанут падать на Землю, и потому искривление пространства-времени будет настолько незначительным, что им можно пренебречь и считать пространство-время плоским.

Под кривизной пространства не нужно понимать искривление плоскости наподобие евклидовой сферы, в которой внешняя поверхность отлична от внутренней. Изнутри ее поверхность выглядит вогнутой, извне - выпуклой. С точки зрения неевклидовых геометрий обе стороны искривленной плоскости являются совершенно одинаковыми. Кривизна пространства не проявляется наглядным образом и понимается как отступление его метрики от евклидовой, что можно точно описать на языке математики.

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет больше времени, чем в том случае, когда на пути этого сигнала Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились начиная с 1966 г.

В качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а его частота - к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Сразу скажем, что с Солнцем этого никогда не произойдет. В конце своего существования, через несколько миллиардов лет, оно испытает множество превращений, его центральная область может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и вправду испытают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры.

Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

Чтобы возникла черная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца, умноженного на 3 км. Это критическое значение радиуса называют гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих пор их не удалось обнаружить. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь их просто не видно, так как они не светят, ничего не излучают в пространство и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько хорошо изученных систем двойных звезд, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5-8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной трем массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса займет всего около часа. Но по часам, которые будут находиться вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело будет подходить к гравитационному радиусу, тем более замедленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигнет его. А на определенном расстоянии от этого радиуса тело навсегда застывает - для внешнего наблюдателя остановилось время, подобно тому, как на стоп-кадре виден застывший момент падения тела.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.

Структурность и системность материи

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Системность материи. Представления о материи в современной науке строятся на системном подходе, о котором уже говорилось выше. В рамках системного подхода любой объект материального мира рассматривается как система - внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной сложной системой и элементом другой, более сложной системы. В этом и заключается системность материи.

Совокупность связей между элементами системы образует структуру системы. Поскольку любая система обязательно состоит из элементов, которые связаны друг с другом разнообразными связями, можно сделать вывод, что бесструктурных объектов не существует.

Существует два основных типа связи между элементами систем - горизонтальные и вертикальные связи. Горизонтальные связи - это связи координации между элементами и системами одного уровня. Они носят коррелирующий характер. Вертикальные связи - это связи субординации, иерархии, показывающие взаимоотношения между уровнями организации системы.

Структурность материи. Системность материи неразрывно связана со структурностью, под которой понимают связи между огромным множеством систем окружающего нас мира, находящихся в отношении иерархической соподчиненности, а также упорядоченность строения каждой системы.

Поэтому неверно под структурой материи понимать только ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать все многообразие целостных систем, находящихся в конечной области материального мира, которая простирается от 10^-15 см до 10²⁸ см (около 20 млрд. световых лет), а во времени - до 2 * 10¹⁰ лет. При этом на каждом структурном уровне материи существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях.

В естественных науках выделяются два класса материальных систем: в живой и неживой природе. Кроме них выделяются социальные системы. Аналогично можно представить и структуру нашего мира.

В неживой природе структурными уровнями организации материи являются:

– вакуум (поля с минимальной энергией);

– поля и элементарные частицы;

– атомы;

– молекулы;

– макроскопические тела;

– планеты и планетные системы;

– звезды и звездные системы;

– галактики;

– Метагалактика;

– Вселенная.

В живой природе выделяют два важнейших структурных уровня - биологический и социальный.

Биологический уровень организации материи включает:

– доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);

– клетку как «кирпичик» живого и одноклеточные организмы;

– многоклеточный организм, его органы и ткани;

– популяцию (совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других групп особей своего вида);

– биоценоз (совокупность популяций, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды);

– биосферу - живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов, включая человека).

На определенном этапе развития жизни на планете возник разум, благодаря которому появился новый структурный уровень - социальный. На этом уровне выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация, человечество в целом.

Поскольку в природе все взаимосвязано, в ней существуют такие системы, элементами которых являются как живая, так и неживая природа. Это:

– биогеоценоз (сложная природная система, объединяющая на основе обмена веществ и энергии совокупность живых организмов с неживыми компонентами - условиями обитания);

– биосфера (область распространения жизни на Земле, представляющая собой совокупность живого вещества планеты и преобразованной им окружающей среды).

Микро-, макро- и мегамир. Критерии классификации

Осознавая структурность и системность материи в качестве важнейших ее свойств, человек, изучая окружающий мир с точки зрения своих человеческих потребностей, соизмеряет все эти многочисленные системы в первую очередь с собой. Исходя из этого в естествознании выделяют три основных уровня строения материи:

микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10^-24 секунды;

макромир - мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах и годах;

- мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существо-вания космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

Дольше всего и подробнее всего наука изучала макромир. Результатом явилась классическая наука Нового времени, которая занималась изучением объектов и процессов, которые человек вполне мог наблюдать невооруженным глазом. Именно так появились на свет механика, классическая термодинамика, оптика, электродинамика.

Изучение микромира началось с конца XIX в. Толчком послужило открытие Дж. Томсоном в 1897 г. первой элементарной частицы - электрона, а также выдвижение М. Планком в 1900 г. идеи кванта как мельчайшей неделимой порции энергии, в которой только и может происходить излучение и его поглощение. Ошеломлявшие ученых свойства элементарных частиц вскоре удалось объяснить в рамках первых квантовых теорий- квантовой механики и квантовой электродинамики. Тем не менее в этой области еще существует великое множество загадочных и пока необъясненных фактов. Их изучение было задачей современной науки и, очевидно, останется целью постнеклассической науки.

Несколько иначе обстоит дело с исследованием мегамира, начавшимся с появлением астрономии - одной из первых естественных наук. Но большую часть своей истории астрономия не выходила за рамки описательной науки. Концепции и теории в космологии и космогонии, носящие достаточно обоснованный характер, стали появляться только к началу XX в.

При этом многие из концепций и теорий в космологии и космогонии оказались связанными с исследованиями в области микромира. Таким образом, подтверждалась диалектика природы, воплощенная в идее всеобщей связи всех структурных уровней организации материи.

Основные представления о мегамире

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что мегамир начинается с расстояний около 10⁷ и масс 10²⁰ кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28Ч10⁺⁷ м, масса 6Ч10²¹ кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) - среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5Ч10¹¹ м.

Световой год - расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46Ч10¹⁵ м.

Парсек (параллакс-секунда) - расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08Ч10¹⁶ м = 3,26 св. г.

Вселенная - это весь окружающий нас мир. Астрономы и физики обычно подразумевают под этим ту его часть, которая в принципе доступна изучению естественно-научными методами.

Астрономическая Вселенная, или Метагалактика - это часть Вселенной, доступная наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так, Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты - остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу - Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь.

Млечный Путь (наша Галактика) - светлая неровная полоса, опоясывающая небо по большому кругу. Таким нам представляется звездный диск нашей галактики, который мы наблюдаем изнутри, находясь вблизи плоскости диска.

Галактики - это звездные системы той же природы, что и наша Галактика, объединяющие большинство существующих в природе звезд. Помимо звезд и связанных с ними планетных тел, в состав Галактик входит межзвездный газ и пыль. За редкими исключениями, массы Галактик лежат в пределах 10⁸-10¹² масс Солнца, размеры - от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. Силой, которая удерживает звезды одной Галактики вместе, является сила их гравитационного притяжения друг к другу. Ближайшие к нам Галактики - Большое и Малое Магеллановы Облака, удаленные от нас примерно на 150 тыс. св. лет. Большинство наблюдаемых Галактик можно отнести к одному из трех типов: эллиптические, спиральные и неправильные. Наша Галактика - спиральная. Галактики отличаются как по внешнему виду, так и по структуре, звездному составу и содержанию межзвездного газа.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15-20 млрд. лет (иногда указывают среднее число - 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли - 4,5 млрд. лет.

Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. В различных мифах, натурфилософских представлениях до нас дошли идеи о бесконечном пространстве и времени. Действительно, утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере пустота. Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах ХХ в. Основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, ленинградский физик А.А. Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока неясных причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10^-15 м. Ученик Фридмана Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель горячей взрывающейся Вселенной, положив начало так называемой теории "Большого взрыва". Широкое распространение и внедрение эта теория получила с середины 1960-х годов.

Большой взрыв - понятие из теории происхождения Вселенной, согласно которому Вселенная образовалась в результате грандиозного взрыва чего-то невероятно маленького и горячего и с тех пор все время расширяется.

Спрашивать о том, что было до «Большого Взрыва» и что находится за пределами стремительно расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная согласно теории Большого Взрыва ограничена в пространстве и времени по крайней мере со стороны прошлого. Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Вскоре, однако, астрономические наблюдения подтвердили факт расширения окружающего нас пространства: американский астроном Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной -- что-то около 15-20 млрд. лет. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества -кварки и антикварки. В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Как известно, антипротон отличается от протона противоположным зарядом, а в остальном эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которых обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции, обратные реакции аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон. Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.

После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала.

Аннигиляция - превращение частицы и античастицы при столкновении в другие частицы.

Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала намного «просторнее». Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения, предсказанного Г. Гамовым. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 15 млрд. лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

В последнюю четверть двадцатого века теория Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения - общая теория относительности.

Пять лет спустя, в 1922 г. советский физик и математик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Фридман сделал это, опираясь на сформулированный им космологический принцип. Он строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной, проводя наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

Сегодня с этим принципом согласно большинство ученых. Результаты современных наблюдений показывают, что структурные элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, физические константы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной, включая Землю. Кроме того, известно, что вещество во Вселенной собрано в «сгустки» - звезды, звездные системы и галактики. Но распределение вещества в более крупных масштабах однородно.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера - изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

Солнечная система

Как и в случае с эволюцией Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Достоверно известно, что наша Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Это означает, что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Солнечная система - Солнце вместе со всей семьей своих планет и прочих объектов (комет, астероидов, лун, пыли и т.д.).

Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар. Солнце - ближайшая к нам звезда во Вселенной, относящаяся к разряду желтых карликов. Тем не менее в Солнце сосредоточено 99,8 % массы Солнечной системы. Диаметр Солнца составляет 1 400 000 км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Средняя плотность Солнца лишь в 1,4 раза больше плотности воды (средняя плотность Земли - в 5,5 раз больше плотности воды), хотя в центре Солнца плотность вещества значительно увеличивается и становится в 150 раз больше плотности воды. Температура на поверхности Солнца - около 6000 К, в глубине - повышается до 10-15 млн. К.

По своему строению Солнце состоит из ряда концентрических сфер. В центре Солнца находится ядро, затем идет конвективная зона и, наконец, атмосфера, которая состоит из трех частей - фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера - нижняя часть солнечной атмосферы, из которой исходит почти все излучение Солнца. Ее толщина около 300 км. Выше идет хромосфера, она видна во время солнечных затмений как розовое кольцо вокруг Солнца. В хромосфере образуются пятна, а также протуберанцы - выбросы из хромосферы. Корона - самая внешняя и наиболее разреженная часть солнечной атмосферы. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности (11-летний цикл, связанный, скорее всего, с обращением Юпитера вокруг Солнца). В годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума - почти сферична.

Солнечная активность. На фотосфере - видимой поверхности Солнца - наблюдаются темные пятна. Причина их появления - сильные магнитные поля, которые замедляют движение горячих потоков от центра Солнца к его поверхности. Таким образом, темные пятна - это более холодные области на фотосфере. С появлением пятен связаны и другие явления: вспышки в хромосфере, сопровождающиеся различными излучениями (тепловым, ультрафиолетовым, рентгеновским и т.п.). Эти явления называются солнечной активностью. В годы максимумов солнечной активности мощность различных видов излучения возрастает в несколько раз. Количество пятен колеблется с периодом в 11 лет, т.е. солнечная активность имеет циклический характер.

Планеты Солнечной системы

Планеты Солнечной системы делятся на две группы:

* планеты земной группы (внутренние планеты) - Меркурий, Венера, Земля и Марс;

* внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Галактики

История исследования галактик началась почти сразу после изобретения телескопа. Еще В. Гершель открыл существование множества светлых пятен туманного вида, видимых в разных созвездиях в одних и тех же местах. Их назвали туманностями. Но до 20-х годов XX в. природа и строение этих туманностей оставались загадкой. Новые мощные телескопы позволили рассмотреть, что туманности - это не облака пыли или газа, а очень далекие звездные системы с огромным количеством звезд. Таким образом, стало ясно, что во Вселенной существует не один только Млечный Путь - Галактика, частью которой является наша Солнечная система, но и многие другие галактики.

В это же время американскому астроному Э. Хабблу при изучении далеких галактик удалось обнаружить в них переменные звезды. Измеряя блеск переменных звезд, ему удалось выяснить расстояние до галактик, в которые они входили. Ближайшая к нам галактика - Туманность Андромеды (она видна как размытое пятно в созвездии Андромеды), до нее около 1,5 млн. световых лет и ее можно увидеть невооруженным глазом. Самые далекие галактики расположены на расстоянии 10 млрд. световых лет, они видны только в самые мощные телескопы. Размеры их разные - есть карликовые галактики диаметром в несколько десятков световых лет и есть галактики-великаны, доходящие до 18 млн. световых лет в поперечнике.

Наблюдая другие галактики, ученым следует помнить, что свет от них до Земли идет миллионы и миллиарды лет, поэтому мы сегодня видим далекое прошлое этих галактик.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, но и количество галактик, известных сегодня. Самый большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать несколько миллиардов галактик. Поэтому наблюдаемая нами часть Вселенной - это в основном мир галактик, которые существуют не поодиночке, а в скоплениях и группах галактик.

Чрезвычайно разнообразны формы галактик. Еще Хаббл выделил три основные формы галактик. Около 60 % всех галактик составляют спиральные галактики, для которых характерны две сравнительно яркие ветви, выходящие из ядра. Эти ветви расположены по спирали. Наша Галактика относится к спиральному типу. 13 % галактик относится к типу эллиптических галактик, имеющих форму эллипсоидов. Остальные галактики являются неправильными. Это линзообразные, кольцевые, дисковидные, карликовые галактики.

Лучше всего сегодня исследована Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика, Туманность Андромеды, 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и неправильные галактики, самые крупные из которых - Большое и Малое Магеллановы Облака.

Особый интерес у ученых вызывает наша Галактика - Млечный Путь. Большая часть нашей Галактики хорошо видна невооруженным глазом в виде светящейся полосы. К сожалению, Земля расположена не очень удачно для наблюдений Галактики, мы находимся внутри нее и не можем увидеть ее со стороны.

Тем не менее известно, что наша Галактика представляет собой гигантскую звездную систему, состоящую примерно из 200 млрд. звезд, среди которых - наше Солнце. Кроме звезд в Галактику входит много пыли, газа, она пронизана магнитными полями и космическими излучениями. По форме наша Галактика является спиральной. Большую ее часть составляет правильный диск с шарообразным утолщением в центре, напоминающий линзу или чечевицу. Диаметр Галактики - около 100 000 световых лет, толщина - в 10-15 раз меньше, возраст - около 15 млрд. лет.

В состав Галактики входят разные звезды. Есть старые и молодые звезды, возраст которых не превышает 100 тыс. лет. Но большая часть звезд имеет средний возраст - несколько миллиардов лет. К этой группе относится и наше Солнце. Оно расположено ближе к краю Галактики, на расстоянии 25 000 световых лет от ее ядра. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом.

В спиральных рукавах Галактики звезды расположены неравномерно, образуя «трубы», в стенках которых находятся звезды. Эти рукава соединяются с ядром Галактики. Строение ядра до сих пор остается загадкой и привлекает к себе внимание астрономов. Ядро - сравнительно небольшая область, из которой непрерывно истекает протонно-водородный газ массой 1,5 массы Солнца в год. Откуда берется этот газ и что происходит в ядре, современная наука не знает. Хотя в последнее время появилась гипотеза, что, возможно, в ядре находится черная дыра.

Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях примерно в 10-20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды внутри галактик (расстояния между ними в 20 млн. раз больше их диаметра).

Хотя в телескопы ученым удается увидеть только галактики, в темном пространстве, разделяющем их, несомненно, присутствует вещество. Межзвездное пространство заполнено газом и пылью, состоящей в основном из водорода и гелия с незначительной примесью других химических элементов. Кроме того, оно насыщено различными излучениями, потоками нейтрино и космических частиц, состоящих из множества разнообразных элементарных частиц. В местах наибольшего скопления газопылевого вещества астрофизикам удалось обнаружить различные органические соединения - углеводороды, спирты, эфиры и даже аминокислоты.

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную для наблюдения часть Вселенной, важным свойством которой является однородность и изотропность распределения вещества в ней. Но такой Метагалактика была не всегда. В прошлом, как считает современная космология, она была анизотропна и неоднородна. Поисками следов этого состояния занимается внегалактическая астрономия.

Вопрос о том, является ли Метагалактика единственной, можно ли поставить знак равенства между Метагалактикой и всей Вселенной, пока остается открытым. Существуют гипотезы о множественности метагалактик, множественности вселенных, в каждой из которых действуют свои фундаментальные законы. Современная наука такой возможности не отрицает. Все, что не запрещено законами природы, где-либо и когда-нибудь может быть реализовано.

Макромир. Земля как планета

Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля считалась плоским диском, стоящим на трех слонах, китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом. Лишь в VI в. до н.э. один из основоположников античной науки - Пифагор - высказал мысль о шарообразности Земли. Вслед за ним в IV в. до н.э. выдающийся античный философ Аристотель также предположил, что Земля является шаром. В качестве аргументов он использовал лунные затмения, которые происходят из-за того, что Земля, встав между Солнцем и Луной, отбрасывает на Луну круглую тень. Кроме того, уже тогда было известно, что в южных странах на небе появляются созвездия, невидимые на севере. Так, постепенно утвердилось представление о том, что Земля -- это шар, неподвижно висящий в центре Космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и пять известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в античности геоцентрическую модель мира.