Вселенная, солнечная система, земля в современной естественно-научной картине мира

Вариант 3 (окончание номера на 5 и 6).

Вселенная, Солнечная система, Земля

в современной  естественно-научной картине мира.

1.                  Космос и космологические концепции в естествознании. Различные (традиционные и нетрадиционные) подходы к решению космологических проблем.

2.                  Эволюция Вселенной (Метагалактики) в современной НКМ.

3.                  Космогонические представления об эволюции звезд и планет.

4.                  Роль космологических знаний в мировоззрении и практике человечества.

Когда обсуждают учение о Вселенной в целом, то его назы­вают космологией, учением о космосе, где под космосом пони­мают весь мир, окружающий планету Земля. Желая подчеркнуть единство, общность астрономических явлений, используют тер­мин «Вселенная». На большинство европейских языков «Вселен­ная» переводится как «универсум» (от лат. ипшегзаИз — общее). Вселенная — доступная нам часть космоса.

Непременно следует отметить одну весьма существенную осо­бенность развития науки — рост ее концептуальной силы, что приводит к расширению ареала объясняемых явлений. Именно вследствие этого довольно неожиданно выяснилось, что теории элементарных частиц имеют космологическое значение. Как оказалось, в концептуальном отношении микро- и мегаявления схожи. Идея о единстве микро- и мегаявлений формулировалась

113

мудрецами древности, например древнегреческими атомиста­ми. Научное содержание этой идеи было мизерным. Лишь в по­следние полстолетия она приобрела должный научный вес и прежде всего благодаря выработке теории единства четырех ти­пов взаимодействий.

114

•  Вселенная — доступная нам часть космоса.

•  Для осмысления Вселенной нужна теория.

•              Многие физические теории, в том числе и квантовая тео­
рия поля, имеют не только физическое, но и космологическое
значение.

•              Человек — существо космическое. Ему нужна космология,
среди прочего для того, чтобы понять самого себя, свое проис­
хождение и будущее.

•              Люди, не владеющие космологией, интерпретируют содер­
жание космических явлений исходя из эрзац-теорий.

15. Основные космологические факты

Всякая теория, в том числе и космологическая, позволяет дать истолкование определенной совокупности фактов. Ниже рассматриваются основополагающие космологические факты, которые имели решающее значение в построении научной кос­мологии.

Расширение Вселенной. Первым ученым, который обнару­жил силы космической значимости, был И. Ньютон, первооткры­ватель закона всемирного тяготения. Ньютон, обладавший не­заурядной научной интуицией, прекрасно понимал, что так как тела притягиваются друг к другу, то в их скоплении неминуе­мо развивается гравитационная неустойчивость. Следовательно, если предположить, что космическое вещество первоначально бы­ло равномерно распределено по всему бесконечному космическо­му пространству, то различные его части сгущались бы, образуя Солнце и, как он считал, неподвижные звезды, а также плане­ты; светимость звезд он объяснял ссылкой на Творца [24, с. 33-34]. Воззрения Ньютона относятся к 1692 г. Позднее они неоднократно воспроизводились, например философом И. Кан­том (1775 г.) и математиком П. Лапласом (1796), но дело огра­ничивалось пранаучными, сугубо гипотетическими рассужде­ниями.

Создатель релятивистской теории тяготения (общей теории относительности) А.Эйнштейн также не упустил возможность по­строения космологической, причем стационарной модели мира (1917). Он разделял убеждение Ньютона, что звезды по отноше­нию друг к другу находятся в стационарном положении. Но объ-

115

яснить такое положение звезд одними силами тяготения за­труднительно. Поэтому Эйнштейн ввел в уравнение общей тео­рии относительности специальный член — лямбду (X), который должен был в математической форме отобразить наличие сил от­талкивания неведомой природы. Прием, использованный Эйн­штейном, в науке называется ад, Нос (ад хок), что в переводе с ла­тинского означает «для данного случая». К приему ад Ьос ученые относятся весьма критически — плоха та теория, которую при­ходится приспосабливать к тому или иному конкретному случаю. Эйнштейн использовал прием ас! Ьос за неимением лучшего. Вскоре ему представилась возможность отказаться от него.

Наш отечественный ученый А.А.Фридман, изучая уравнения общей теории относительности Эйнштейна (1922—1924), показал, что они приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной, в зависимости от плотности вещества в ней она либо расширя­ется, либо сжимается. Фридман рассуждал явно в несколько иной манере, чем Эйнштейн, который хотел объяснить наблюдаемую, как он полагал, стационарность Вселенной. Эйнштейн считал, что для этой цели изобретенные им уравнения недостаточны, значит их следует модифицировать введением лямбда-члена. Фридман полностью доверяет Эйнштейну и не считает нужным как-то изменять уравнения этой теории. Что действительно име­ет место, следует установить именно на основе теории. Но может быть это не так, и ученые кажущееся принимают за действитель­ное. Интересно, что Эйнштейн после недолгих колебаний реши­тельно переходит на позиции Фридмана. Разумеется, такой шаг со стороны Эйнштейна был сделан не случайно. Ведь именно он всегда подчеркивал, что факты надо объяснять теоретически. Из­вестно, что Эйнштейн болезненно переживал свой теоретический промах.

Как бы то ни было, выводы Фридмана предстояло проверить убедительными экспериментальными данными. В этой связи решающее значение имело открытие американского астронома Э. Хаббла, который обнаружил факт разлета скоплений звезд, галактик (1929).

'Хаббл установил, что чем дальше от нас та или иная галак­тика, тем приходящее от нее электромагнитное излучение силь­нее смещено к красному концу. Согласно эффекту Доплера, ес­ли источник света движется от нас, то частота воспринимаемых колебаний понижается, а если к нам, то повышается. Каждый знаком с аналогичным звуковым явлением: сигнал приближаю­щегося поезда пронзителен, а удаляющегося значительно менее

116

резкий. «Красное смещение» приходящих от галактик излуче­ний свидетельствовало о их удалении от Земли. Хаббл вывел со­отношение:

v = НЬ,

где v — скорость удаления галактики, I/ — расстояние до галак­тики, обычно измеряемое в парсеках (1 пк » 3,1 • 1016м), Н — по­стоянная Хаббла, равная по современным оценкам 75— 80 км/с • 10е пк. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она движется. Скорость некоторых галактик при­ближается по своей величине к скорости света.

Смысл постоянной Хаббла выясняется из следующего просто­го примера. Представим себе, что галактики не удаляются, а, на­оборот, сближаются друг с другом. Через какой промежуток времени произойдет их встреча? Место слияния галактик мож­но считать сингулярностью. Иначе говоря, мы желаем узнать воз­раст Вселенной, или время разлета галактик. Из закона Хаббла, следует, что

т.е. величина, обратная постоянной Хаббла, есть возраст Вселен­ной. Примем, что Я « 76 м/с • 106 пк, где 1 пк = 3,1 • 1016м. Про­стой расчет показывает, что в таком случае I * 13,5 млрд лет.

Несмотря на то, что в рассмотренном примере использовал­ся ряд грубых приближений, возраст Вселенной определен с до­статочной степенью точности. Согласно современным представ­лениям, возраст Вселенной составляет 12—15 млрд лет.

Возвращаясь к расширению Вселенной, отметим специально, что в ней отсутствует какой-либо центр «разбегания» галактик. Расширяется межгалактическая среда в целом. «Разбегаются» все галактики! С какой бы галактики не наблюдалась картина космического расширения, всякий раз она выглядит единообраз­но: чем дальше от места наблюдения находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется от этого места.

На разбегающиеся галактики определяющее влияние оказы­вают силы тяготения, т.е. силы притяжения. В состоянии ли они затормозить движение галактик? Подробные расчеты показыва­ют, что картина космического расширения определяется плот­ностью вещества во Вселенной. Критическая плотность вещест­ва во Вселенной ркр. « 10~29г/см3. Если бы плотность космического вещества была больше, чем ркр., то галактики за-

медлили бы свой ход и стали двигаться навстречу друг другу. Ви­димо, на этот счет отсутствуют четкие экспериментальные дан­ные.

Расширение Вселенной означает, что мы можем видеть лишь те объекты, излучения которых успевают дойти до нас. Возраст Вселенной составляет около 13 млрд лет. Следовательно, гори­зонт видимости расположен на расстоянии не большем, чем мо­жет пройти свет (электромагнитная волна) за 13 млрд (1,3 • 1010) лет.

Открытие расширения Вселенной выдвинуло на первый план проблемы ее механики. Какова причина расширения Вселенной, каков ее возраст?

Крупномасштабная однородность и изотропия Вселен­ной. Согласно данным наблюдений, Вселенная неоднородна в ма­лом, но однородна в большом. Если мысленно представить себе космические кубы, грани которых равны 3 • 108 пк, то в каждом из них будет приблизительно около 1000 скоплений галактик [28, с. 13]. В крупных масштабах Вселенная и однородна и изотроп­на (во всех направлениях ее свойства одни и те же).

Крупномасштабная однородность и изотропность Вселенной наводит на мысль, что в космосе везде реализуются одни и те же закономерности. Изучая свое ближайшее космическое окруже­ние, человек способен судить о самых далеких частях Вселенной. Разумеется, крупномасштабная однородность и изотропность Вселенной должны быть как-то объяснены. Почему именно Все­ленная однородна и изотропна?

Реликтовое излучение. Чтобы объяснить космическое рас­ширение, Дж.Гамов (эмигрировал из СССР в 1934 г.) предложил в 1948 г. модель Большого взрыва. Вселенная расширяется, мол, из некоего особого единичного состояния, которое называ­ют сингулярным (от англ. зт§и1агИу — оригинальность, свое­образие). Взрыв разметал все составляющие раннего космоса. Ко­смос вследствие своего быстрого расширения стал быстро остывать. По расчетам Гамова, в качестве следов от Большого взрыва должно остаться микроволновое излучение малой энер­гии, соответствующее излучению абсолютно черного тела| нагре­того всего лишь до 5 К (ок. —268 °С). Предложение Гамова дли­тельное время не принимали всерьез [26, с. 192], но затем все изменилось.

В начале 1965 г. американцы А.А.Пензиас и Р.В.Вилсон, обеспечивая связь со спутником «Эхо», изучали «радиошумы» Галактики. Неожиданно для себя они обнаружили приходящее

118

со всех сторон фоновое излучение, температура которого по со­временным оценкам равна ок. 2,7 К. Первооткрыватели упомя­нутого излучения ничего не знали о его космологической значи­мости [26, с. 194]. Но многие космологи, узнав о микроволновом фоновом излучении (И.С.Шкловский предложил его называть ре­ликтовым, т.е. остаточным от ранних эпох Вселенной), едва ли не в одночасье поняли, что сделано открытие фундаментальной значимости. Абсолютное большинство космологов убеждено, что наличие реликтового излучения свидетельствует в пользу моде­ли Большого взрыва, или горячей Вселенной.

Наличие реликтового излучения означает, что Большой взрыв произошел не в отдельной, избранной точке космоса (в против­ном случае оно не приходило бы на Землю со всех сторон). Большой взрыв характерен для всего изначального космоса.

Что должна объяснить теория? Она должна объяснить все, что относится к космосу. Например, наблюдаемую распространен­ность легких, равно как и любых других, элементов. Так, изве­стно, например, что в молодых звездах содержится около 30% гелия. Почему? Нуждаются в объяснении факты наличия звезд, планет, различных космических сред. Необходимо осмыслить светимость звезд, мощный энергетический поток, исходящий от ближайшей к нам звезды — Солнца. Хотелось бы понять, поче­му мир состоит из вещества, как оно произошло. Вопросов мно­го, не одна тысяча. Осмыслить их по одиночке не удается, все заканчивается короткими голословными утверждениями типа «мир так устроен», «такова воля Творца». Нужна Теория! Тео­рия, которая позволяла бы объяснить любой наблюдаемый факт, предсказать ход космических событий, стать инструментом в ос­мыслении человеком космических явлений и в обеспечении им своего настоящего и будущего.

Резюме

•              И.Ньютон хотел объяснить Вселенную исходя из изобретен­
ной им классической механики. Светимость звезд он объяснял
ссылкой на Творца.

•              А.Эйнштейн, исходя из общей теории относительности,
строил модель стационарной Вселенной.

•              А.А.Фридман после анализа уравнений общей теории отно­
сительности приходит к выводу, что Вселенная нестационарна.

•              Нестационарность Вселенной была обнаружена впервые не
практически, а выявлена теоретически.

119

•               Э. Хаббл установил факт разлета галактик эксперименталь­
ным путем.

•               Зная формулу Хаббла v = НЬ, можно рассчитать время раз­
лета галактик. Выходит, что Большой взрыв состоялся около
13,5 млрд лет тому назад. Проведенный расчет не является точ­
ным.

•               Вселенная не имеет центра, в противном случае реликто­
вое излучение не приходило бы к Земле со всех сторон.

•               Вселенная неоднородна в малом, но однородна в мегамас-
штабах, сравнимых с 3 • 108пк.

•               Реликтовое излучение согласуется с гипотезой Большого
взрыва.

16. Теория Вселенной

Размышляя над происхождением и устройством Вселенной, современные космологи исходят из концептуальных возможно­стей квантовой теории поля. Но при этом, как и обычно в науке, разумеется, не обходится без затруднений. Наибольшие сложно­сти связаны с осмыслением природы космической сингулярно­сти. Обойтись без нее не удается: любая модель расширяющей­ся Вселенной при экстраполяции ее назад во времени неизбежно приводит к представлению о сингулярности. Но что представля­ет собой сингулярность? Она, по мнению ученых, должна быть именно такой, чтобы вызванные ею процессы соответствовали действительной картине Вселенной.