Астрономия включает в себя изучение не только звезд , но и движение всех небесных и космических тел, а также их взаимосвязь между собой, развитие, строение и происхождение.

Еще с глубокой древности люди начали изучать строение Вселенной . Считается, что первыми астрономическими станциями были египетские таинственные пирамиды и пирамиды древних индейцев Майя. Возможно, они знали о звездах больше, чем современные астрономы и астрофизики. Даже древние жители Китая и Вавилона регулярно следили за звездами. Благодаря изучению небесных светил появились первые календари.

И сейчас попав в планетарий , мы испытываем благоговение перед необъятными просторами вселенной. И если раньше увидеть искусственно созданные звезды и их движение можно было, только в областных городах (и то далеко не во всех) побывав в планетарии, то сейчас благодаря появлению новейших технологий посетить мобильный цифровой планетарий можно практически в любом городе. Уникальные технологии теперь позволяют создавать буквально за один час передвижной (переносной, мобильный) цифровой планетарий для 20-30 человек. К тому же эффект от увиденного просто поражает, особенно детей, впервые попавших на такое шоу по астрономии . Кроме галактик, звезд, созвездий, планет и малых небесных тел цифровые планетарии позволяют проецировать на свой купол и разнообразные фильмы, естественно связанные с тематикой астрономии. Удивительно, красиво и впечатляюще!!!

С развитием астрономии и появлением телескопа изучение звездного неба стало намного проще. Мнение о том, что Земля представляет собой, абсолютно плоскую планетарную форму было опровергнуто Коперником, и мир в одночасье перевернулся. Небо стало интересовать людей все больше и больше. Как появилась Вселенная? Есть ли жизнь на других планетах? Как появилась жизнь на самой Земле? Смогут ли люди полететь в космос? Эти и другие вопросы мучили ученых на протяжении целых столетий.

Появилось множество производных от астрономии наук, таких как: астрометрия, астрология, астробиология, астрофизика и много других. Люди узнали о существовании новых планет , исследовали всю Солнечную систему, слетали в космос, побывали на Луне. И самое главное узнали о том, что мир не ограничен, что Вселенная бесконечная и на ее бескрайних просторах живут не только обычные звезды и планеты, что есть множество других космических тел и то, что люди возможно не одиноки.

Во всей Вселенной более триллиона галактик , а в них миллиарды и более солнечных систем и бесконечное количество звезд и планет, на которых возможно есть жизнь. У каждой планеты обязательно есть спутник, у некоторых планет их может быть больше двадцати. Галактики бывают нескольких видов: линзообразные, карликовые, в форме эллипса и другие. Галактика, в состав которой входит наша Солнечная система получила название - Млечный путь. И она относится к спиральным галактикам с перемычкой. Свое название она получила много тысяч лет назад от древнегреческой легенды о Зевсе, его жене Гере и незаконнорожденном сына Геракле. Астрономы узнали и то, что звезды бывают разные и разделили их на виды, а также подвиды. Звезды бывают нейтронные, карликовые разных цветов, гиганты и сверхгигантские, протозвезды и сверхновые звезды. Такие названия они получили из-за отличий в яркости, цвете, размерах и температуры. Каждая звезда рождается и умирает. После своей смерти некоторые звезды превращаются в некие черные дыры. Рождаются звезды из туманностей - межзвездных космических облаков, состоящих преимущественно из газа, плазмы и космической пыли.

Мировая астрономическая наука с каждым годом развивается все больше и сильнее, её взгляд устремляется всё дальше к краю вселенной (возможно, он существует). Теперь люди грезят о покорении и колонизации новых планет и о контакте с другими межгалактическими и межзвездными, возможно существующими цивилизациями.

Кто знает , может через сотни или тысячи веков, а может, вероятнее всего, и раньше, через десяток лет, астрономам наконец-то это удастся сделать.

Среднее общее образование

Астрономия (10-11)

Главные астрономические открытия: со времен Галилея до наших дней

Материал подготовлен на основе вебинара астрофизика, доктора физико-математических наук, научного сотрудника ГАИШ МГУ, профессора РАН Сергея Борисовича Попова.

Уважаемые коллеги! В соответствии с приказом Министерства образования и науки РФ №506 от 7 июня 2017 года «О внесении изменений в федеральный компонент государственных образовательных стандартов начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования, утвержденный приказом Министерства образования Российской Федерации от 5 марта 2004 г. №1089» курс астрономии становится обязательным для изучения в старших классах средней школы. С полным текстом приказа вы можете ознакомиться .

Астрономия - наука наблюдательная, главное в ней - открытия, в результате которых происходит изменение старых представлений. Не все открытия неожиданные, так, последним открытиям - бозона Хиггса и гравитационных волн - предшествовала долгая подготовка. Но все-таки астрономические открытия, как правило, неожиданные, противоречащие здравому смыслу, меняющие прежнюю картину мира. Какие из них могут войти в десятку величайших в истории человечества?

1. Открытия Галилея: пятна на Солнце, горы на Луне, спутники Юпитера, фазы Венеры, звезды в Млечном Пути

В XVII веке люди впервые посмотрели в телескоп, многие увидели, что творится в небе. Но Галилей отнесся к наблюдениям наиболее ответственно, поэтому открытия маркируются его именем. Стало понятно, что Земля не является центром вращения всего на свете. Солнце же, во-первых, тоже вращается, а во-вторых - само оно несовершенно: на нем есть пятна! Неидеальность ключевого космического объекта того времени поразила современников Галилея больше всего. Стало видно, что и Луна не является идеальной сферой. Известие о фазах Венеры доказывало вращение Венеры вокруг Солнца, то есть - правоту Коперника. И далее: Млечный Путь оказался множеством слабых звезд, и это меняло наивное отношение к видимому миру: человеческий глаз не подогнан для восприятия всего сущего, не все можно увидеть и понять без приборов.

В 1837 г. впервые были осуществлены надёжные измерения годичного параллакса. Русский астроном Василий Яковлевич Струве (1793-1864) провел эти измерения для ярчайшей звезды Северного полушария Веги (a Лиры). Почти одновременно в других странах определили параллаксы еще двух звёзд, одной из которых была a Центавра. Эта звезда, которая с территории России не видна, оказалась ближайшей к нам. Даже у нее годичный параллакс составил всего 0,75ʺ. Под таким углом невооруженному глазу видна проволочка толщиной 1 мм с расстояния 280 м. Поэтому неудивительно, что столь малые угловые смещения так долго не могли заметить. Больше информации - Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова)

4. Межзвездная среда

Астрономы начала XX века представляли межзвездную пустоту, допуская межзвездную пыль. В 1904 году Иоганн Гартман смог получить спектр, препарировать излучение и обнаружить газ: межзвездная среда существует. Это она затрудняет наблюдения. Без этого знания было бы невозможно построить верную схему нашей Галактики.

Бесплатные методические материалы:

5. Мир галактик

Еще 100 лет назад люди не были уверены в существовании разных галактик. Знаменитые дебаты Кертиса и Шелли о туманностях ничем не закончились, и только впоследствии подтвердилась правота Кертиса: гигантские туманности - это другие галактики. В 20-е годы Эдвин Хаббл обнаружил следы нескольких галактик, и до открытия расширения галактик оставался один шаг.

7. Реликтовое излучение

В 60-е годы XX века стало достоверно известно, что вся Вселенная расширяется: раньше в каждой ее точке плотность была больше и температура выше. Что важнее - количество или температура? Ученые Альфер и Гамов доказали, что излучение, доминировавшее после термоядерной реакции, никуда не девалось, обнаружить его очень легко (это шумы через радиоантенны все сталкивались), но надо было это распознать и назвать: реликтовое излучение. Астрономы получили еще один инструмент изучения Вселенной. Иллюстрация: Г.Гамов на фотографии из учебника Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова )

В 1948 г. в работах Георгия Антоновича Гамова (1904-1968) и его сотрудников была выдвинута гипотеза о том, что вещество во Вселенной на начальных стадиях расширения имело не только большую плотность, но и высокую температуру. Так, спустя 0,1 с после начала расширения температура была около 3 1010 К. При столь высокой температуре взаимодействие фотонов высокой энергии, которых в горячем веществе было много, приводило к образованию пар всех известных частиц и античастиц: электрон - позитрон, нейтрино - антинейтрино и т. п. При аннигиляции этих пар снова рождались фотоны, а протоны и нейтроны, взаимодействуя с ними, превращались друг в друга. Больше информации - Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова)

8. Нейтронные звезды

Их открывали несколько раз. Нейтронная звезда - такая звезда, где природа остановила изменения. Они вбирают в себя всю физику, с ними связано изучение радиопульсаров, регистрация гравитационных волн, точное время, теория поведения веществ при высокой плотности, процессы в сильном магнитном поле.

Излучение пульсара (разновидность нейтронных звезд, которое испускается в узком конусе, наблюдатель видит лишь в том случае, когда при вращении звезды этот конус направлен на него подобно свету маяка. Вещество пульсаров состоит из нейтронов, образовавшихся при соами, тесно прижатых друг к другу гравитационными силами. Диаметры таких нейтронных звезд всего 20-30 км, а плотность близка к ядерной и может превышать 1018 кг/м3. Таким образом, нейтронные звезды являются одним из тех объектов во Вселенной, которые предоставляют учёным возможность изучать поведение вещества в условиях, пока недостижимых в земных лабораториях. Больше информации - Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова)

Главное открытие конца XX века. Это планеты, которые вращаются вокруг другой яркой звезды, из-за чего их плохо видно. Первая была открыта в 1995 году. Они совершенно непохожи на нас, гигантские газовые планеты, которые вращаются вокруг своей звезды очень быстро, круг - за несколько часов. Вероятно, они образовались где-то далеко, а потом как-то притянулись к звезде, - но как? Почему? Тайн много.

Теперь усилия ученых направлены на поиски планет, которые по своим размерам и массе похожи на Землю и находятся недалеко от звезд, что обеспечило бы на поверхности планеты условия, необходимые для существования жизни. С этой целью был запущен КА «Кеплер», на котором установлен фотометр, чувствительность которого составляет 10–5. Он позволяет заметить ослабление потока света от звезды, вызванное прохождением планет по ее диску, всего лишь на одну стотысячную его долю. Больше информации - Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова)

10. Ускоренное расширение Вселенной

Говоря о будущем Вселенной, предлагают разные сценарии. Вселенная расширяется, но гравитация этому препятствует. Все зависит от того, хватит ли плотности вещества, или не хватит. Может быть, она порасширяется да и выйдет на долговременное постоянство? Ученые предполагали, что есть во вселенной ЧТО-ТО, заставляющее ее расширяться, работает какое-то отталкивание, антигравитация. В 1998 году открыли темную энергию (при взрыве белых сверхкарликов) - 70% среды связано с темной энергией, она-то и является компонентом плотности (условием гравитации).

Исследования позволили выяснить, что по своей природе темная энергия является практически однородной, в отличие от двух других составляющих Вселенной - «обычной» и темной материи, которые распределены в космическом пространстве неоднородно, образуя звезды, галактики и другие объекты. Можно считать, что тёмная энергия - это свойство самого пространства. Больше информации - Астрономия. 11 класс. Учебник (Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова)

В список не вошли: темное вещество и черные дыры, космические лучи и нейтрино, появление спектрального анализа, всеволновые наблюдения, квазары. Потому что эти явления - еще не до конца открыты. И если говорить о преподавании астрономии, то будем помнить: содержание этой дисциплины очень быстро устаревает и меняется - стабильный учебник вряд ли возможен.

Записала Людмила Кожурина

*С мая 2017 года корпорация «Российский учебник» объединила издательскую группу «ДРОФА-ВЕНТАНА», издательство «Астрель», компанию «ДРОФА - новая школа» и цифровую образовательную платформу «LECTA» . Главная миссия корпорации - всесторонняя поддержка педагогов России, создание лучших учебников, образовательных решений и социально значимых проектов. Вместе с педагогами мы помогаем закладывать фундамент успешного будущего российских детей на всех уровнях дошкольного и школьного образования.

Московский Комитет Образования
Московский Городской Педагогический Университет
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ И ЭКОЛОГИИ

«Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем»

реферат по ОБЩЕМУ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЮ
студента I курса, гр. 3 «Б»
Яковлева М.Л.
Руководитель: ст. преподаватель Клевкова И.В.

Москва
2001

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..…3

I. ПОЯВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ………………………………………………………………….4
1) Зарождение Земли;
2) Появление атмосферы;
3)Значение атмосферы;

II. СОСТАВ
АТМОСФЕРЫ………………....……………………………………………….5
1) Первичный состав;
2) Нынешний состав;
3) Тенденции изменения;

III. ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ
ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ………………………………..11
1) Причины
а) антропогенные воздействия;
б) естественные воздействия;
2) Следствия
а) разрушение озонового экрана;
б) глобальное потепление климата;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………15

СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ………………………….……………………...……………………..16

ВВЕДЕНИЕ

тмосфера – газовая оболочка Земли, именно благодаря атмосфере стало возможным зарождение и дальнейшее развитие жизни на нашей планете. Значение атмосферы для Земли колоссально – исчезнет атмосфера, исчезнет планета. Но последнее время с экранов телевизоров и динамиков радиоприемников мы все чаще и чаще слышим о проблеме загрязнения атмосферы, о проблеме разрушения озонового экрана, о губительном воздействии солнечной радиации на живые организма и человека в том числе. То тут то там происходят экологические катастрофа оказывающие в различной степени негативное воздействие на земную атмосферу непосредственно влияя на её газовый состав. К сожалению, приходиться констатировать, что атмосфера с каждым годом промышленной деятельности человека становиться всё меньше и меньше пригодной для нормальной жизнедеятельности живых организмов.

В своей работе я стремлюсь рассмотреть всю историю земной атмосферы, а именно её газового состава, начиная с момента образования и заканчивая нашим временем. При этом, затронув начальный этап развития атмосферы, первичный и нынешний газовый, а так же причины и следствия его изменения.

Главная задача работы – выявить динамику изменения содержания различных газов в атмосфере с течением времени, и указать те факторы воздействия, которые служат катализаторами в этих процессах.

I.ПОЯВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

1.Зарождение Земли.

Прежде чем говорить о происхождении планеты Земля, необходимо осветить вопрос о происхождении всей Солнечной системы в целом. «Иммануил Кант (1755 г.) считал, что Солнечная система возникла при эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в центре образовалось Солнце, в периферийных частях – планеты»(3). Этой же теории придерживался и французский математик Лаплас. Но были еще и другие версии образования Солнечной системы. По теории О.Ю. Шмидта планеты образовались в результате выброса Солнцем огромного протуберанца, ставшего следствием столкновения Солнца с каким-либо космическим объектом. По третьей теории Солнце захватило облако, вследствие чего образовались планеты.

«Большинство ученых считает, что Солнце и планеты образовались около 4,6 миллиардов лет назад из огромного облака твердых крошечных частиц и газов, называющегося туманностью. Твердые частицы и часть газа остались от прежних уже погасших звезд. Повинуясь собственной внутренней силе притяжения, туманность начала, вращаясь, сжиматься. Частицы вещества, сталкиваясь на невероятной скорости в центре туманности, выделяли столько теплоты, что родилась сверкающая звезда Солнце. Остальная часть туманности образовала вокруг Солнца кольцо, столкновения частиц внутри которого привели к образованию планет. Некоторое время планеты были раскалены»(2). Так, наряду с другими, образовалась и наша планета.

2.Появление атмосферы.

Возраст атмосферы принято приравнивать к возрасту самой планеты Земля – примерно 5000 миллионов лет. На первоначальном этапе своего формирования Земля разогрелась до внушительных температур. «Если, как считает большинство ученых, только что образовавшаяся Земля была чрезвычайно горячей (имела температуру около 9000° C), то большинство газов, составляющих атмосферу, должны были бы покинуть её. По мере постепенного охлаждения и затвердевания Земли газы, растворенные в жидкой земной коре, выходили бы из неё»(8). Из этих газов и сложилась первичная земная атмосфера, благодаря которой стало возможным зарождение жизни.

II..СОСТАВ АТМОСФЕРЫ.

1.Первичный состав.

Как только Земля остыла, вокруг неё, из выделенных газов, сформировалась атмосфера. Точное процентное соотношение элементов химического состава первичной атмосферы, к сожалению, определить не представляется возможным, но можно с точностью предположить, что газы, входящие в её состав, были подобны тем, которые теперь выбрасываются вулканами – углекислый газ, водяной пар и азот. «Вулканические газы в виде перегретых паров воды, углекислого газа, азота, водорода, аммиака, кислых дымов, благородных газов и кислорода формировали праатмосферу. В это время накопление кислорода в атмосфере не происходило, поскольку он расходовался на окисление кислых дымов (HCl, SiO 2 , H 2 S)»(1).

Существуют две теории происхождения самого важного для жизни химического элемента – кислорода. По мере охлаждения Земли температура упала примерно до 100° C, большая часть водяного пара сконденсировалась и выпала на земную поверхность первым дождем, вследствие, чего образовались реки, моря и океаны – гидросфера. «Водяная оболочка на Земле обеспечила возможность накопления эндогенного кислорода, став его аккумулятором и (при насыщении) поставщиком в атмосферу, к этому времени уже очищенную от воды, углекислоты, кислых дымов, и других газов в результате прошедших ливней»(1).

Другая теория утверждает, что кислород образовался при фотосинтезе в результате жизнедеятельности примитивных клеточных организмов, когда растительные организмы расселились по всей Земле, количество кислорода в атмосфере стало быстро увеличиваться. Однако, многие учёные склонны рассматривать обе версии без взаимного исключения.

2.Нынешний состав.

В сегодняшнем химическом составе атмосферы (рис.1) преобладает азот и кислород. Представительство таких элементов как углекислый газ, аргон и других инертных газов очень мало, в общей сложности около 1%, но минимальное изменение их содержания может оказать серьёзное влияние на жизнь нашей планеты.

Рис.1 Химический состав атмосферы (Неклюкова, 1976).

Доминирующие газы. Рассмотрим свойства химических элементов доминирующих в составе земной атмосферы.

Кислород. Кислород является одним из основных газов атмосферы (почти 21%), наиболее важен для жизни на планете. «Атмосфера содержит порядка 10 15 тонн свободного кислорода, тогда как в земной коре его наверняка больше 10 19 тонн»(1). Самый распространенный элемент на Земле (рис. 2).

Рис. 2 Соотношение кислорода и других химических элементов на Земле (Бгатов, 1985).

Именно благодаря нему возможно дыхание живых организмов. Кислород химически активен, легко вступает в реакции со многими химическими элементами и соединениями. Известны три изотопа кислорода – 16 O, 17 O, 18 O. В обычных условиях их содержание в атмосфере составляет соответственно (%) 99,74, 0,04 и 0,20. «Сильнейшим окислителем является трехатомное соединение кислорода – озон (О 3). Он составляет в атмосфере незначительную примесь»(4). На высоте примерно 22 – 25 км озон достигает максимальной концентрации – озоновый экран, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца (0,29 микрона), губительное для всего живого.

Азот. «Азот – одна из основных компонент органической материи, и ввиду того, что он химически гораздо менее активен, чем кислород, необходимы особые условия для образования соединений азота и для усвоения его живыми организмами. Эти условия еще пока недостаточно изучены»(4). Азот – самый распространенный газ в атмосфере, около 78%. «Азот атмосферы играет огромную роль в геохимических процессах, активно участвуя в дифференциации минерального вещества, с одной стороны, в синтезе органических веществ – с другой. Последнее обеспечивается биохимическими реакциями. Известно, что азот участвует в фотосинтезе, синтезе белков и нуклеиновых кислот. Следовательно, без азота жизнь в том виде, в котором мы её знаем, невозможна»(1).

Углерод. Углерод в земной атмосфере в основном представлен углекислым газом (CO 2). Углекислый газ необходим растениям, так как используется ими для дыхания. Содержание CO 2 в атмосфере так же влияет на тепловой баланс Земли. Деятельность человека (сжигание угля и нефти) ведет к повышению его концентрации.

Водяной пар. Водяной пар играет главную роль в образовании парникового эффекта. Водяной пар пропускает коротковолновую солнечную радиацию, и поглощает длинноволновое излучение Земли. С ним связано образование облачных систем.

3.Тенденции изменения.

«Нет единого мнения о природе и характере изменений в составе атмосферы за последние 1000 миллионов лет. Геологические процессы (вулканическая активность, образование известняков и угля) должны были оказать определенное влияние на состав атмосферы. И есть основания предполагать, что в течение последних 300 миллионов лет количество кислорода и углекислого газа, поскольку эти газы связанны с вышеупомянутыми процессами, колебалось значительно относительно теперешнего уровня»(4).

Рис. 3 «График увеличения содержания CO 2 в атмосфере в период с 19-20 вв. (Неклюкова 1976).

Такое изменение содержания CO 2 , конечно, вызвано деятельностью человека – сжигание угля (рис. 3). «Начиная с 1900 года, количество сжигаемого топлива удваивается каждые 10 лет. Так как уголь состоит на 90% из углерода, при горении соединяющегося с кислородом, то в атмосфере увеличивается количество углекислого газа»(8).

Содержание парниковых газов в атмосфере напрямую зависит от периодов потепления на нашей планете (рис. 4). «Была установлена корреляция между периодами потепления и содержанием в атмосфере углекислого газа и метана. 18 тысяч лет назад, в эпоху максимального обледенения, когда ледовый панцирь покрывал всю северную половину Европы и Северной Америки, содержание парниковых газов было меньше»(5).

«За последние 850 лет на Земле произошло пять ледниковых периодов, когда температуры на Земле опускались на 3°C ниже нынешних»(7).

В основном, более или менее сильные изменения газового состава атмосферы происходило в последние два века, ведь именно в этот период человечество осуществило существенные шаги в своём техническом развитии. Особенно сильно сказался на атмосфере приход НТР (Научно Техническая Революция). «Деятельность человека начала воздействовать на атмосферу в начале XIX в. вследствие развития тяжелой

Рис. 4 Колебание температуры на Земле за последние 850.000 лет

(Мирская, 1997).

промышленности. Дым тысяч заводских труб, сажа миллионов угольных каминов в городских домах затянули небо смогом. Проблема смога существует во многих странах и сейчас»(7).

рис. 5 Концентрация атмосферного CO 2 (Костицын, 1984).

III.ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ.

1.Причины.

Существует масса причин изменения газового состава атмосферы – первое, и самое главное это деятельность человека. Второе, как ни странно, - деятельность самой природы.

а) антропогенное воздействие. Деятельность человека оказывает разрушающее действие на химический состав атмосферы. При производстве в окружающую среду выбрасывается углекислый газ и ряд других парниковых газов. Особенно опасен выброс CO 2 различными заводами и предприятиями (рис. 5). «Все крупнейшие города, как правило, лежат в слое плотного тумана. И не от того, что часто расположены в низинах или у воды, а из-за ядер конденсации, сосредоточенных над городами. В некоторых местах воздух настолько загрязнен частицами выхлопных газов и промышленных выбросов, что велосипедисты вынуждены надевать маски. Эти частицы служат ядрами конденсации для тумана»(7). Так же губительное воздействие оказывают выхлопные газы автомобилей, содержащие оксид азота, свинец, а также большое количество диоксида углерода (углекислого газа).

Одной из главных особенностей атмосферы является наличие озонового экрана. Фреоны – фтор содержащие химические элементы, широко используются в производстве аэрозолей и холодильников, оказывают сильное воздействие на озоновый экран, разрушая его.

«Ежегодно под пастбища вырубаются тропические леса на территории, равной площади Исландии, - в основном в бассейне реки Амазонки (Бразилия). Это может привести к сокращению количества осадков, т.к. количество влаги, испаряемой деревьями, сокращается. Вырубка лесов способствует и усилению парникового эффекта, ведь растения поглощают углекислый газ»(7).

б) естественное воздействие. И природа вносит свою лепту в историю атмосферы Земли, в основном, запыляя её. «Огромные массы пыли поднимают в воздух ветры пустынь. Она заносится на большую высоту и может разнестись очень далеко. Возьмем ту же Сахару. Мельчайшие частицы каменистых пород, поднятые здесь в воздух, закрывают горизонт, сквозь пыльное покрывало тускло светит Солнце»(6). Но опасны не только ветры.

В августе 1883 года на одном из островов Индонезии разразилась катастрофа – взорвался вулкан Кракатау. При этом около семи кубических километров вулканической пыли было выброшено в атмосферу. Ветры разнесли эту пыль на высоту 70-80 км. Лишь спустя годы эта пыль осела.

Так же причиной появления огромного количества пыли в атмосфере являются падающие на Землю метеориты. При попадание на земную поверхность, они поднимают в воздух огромные массы пыли.

Так же в атмосфере периодически то появляются, то исчезают озоновые дыры – дыры в озоновом экране. Многие ученые считают это явление естественным процессом развития географической оболочки Земли.

2.Следствия.

Вследствие промышленной деятельности человека и природы атмосфера Земли загрязняется различными веществами начиная от пыли и заканчивая сложными химическими соединениями. Итогом этого служит прежде всего глобальное потепление климата и разрушение озонового экрана планеты. «Малые изменения в химическом составе атмосферы кажутся незначительными для атмосферы в целом. Но следует напомнить, что редкие газы, входящие в состав атмосферы, могут оказать значительное влияние на климат и погоду»(8).

а) Озоновый экран. Разрушение озонового экрана происходит под действием фтор содержащих компонентов, которые содержаться в аэрозолях и холодильниках. Попадая в атмосферу, вступают в химическую реакцию с озоном, разрушая его. Разрушение озонового экрана ведет к неизбежной гибели всего живого на планете от ультрафиолетового излучения Солнца

б) Потепление климата. «Некоторые ученые, например, считают, что в последние годы с возрастанием углекислого газа изменился тепловой баланс атмосферы, ибо Земля стала больше поглощать инфракрасной радиации, уменьшился уход тепла от Земли в космос, и повысилась средняя температура природного слоя воздуха. Некоторые исследователи оценивают повышение температуры в 0,01°C в год. Это свидетельствует о тесной связи температуры Земли с химическим составом атмосферы»(8). Повышение температуры ведет к потеплению климата, что ведет к таянию ледников Антарктики и Антарктиды, а как следствие повышение уровня мирового океана и затоплению прибрежных районов.

Глобальное потепление климата возможно в результате парникового эффекта. «Вследствие парникового эффекта произойдет заметное смещение климатических поясов. В результате некоторые крупные регионы мира станут теплее и суше, а другие – теплее и влажнее»(5).

Таблица 1. Прогноз потепления температуры на Земле (Максаковский, 1996).

Рис. 6 График потепления температуры на Земле (Мирская, 1997).

По данным (таблица 1, рис. 6) можно предположить, что к 2050 году температура на Земле в среднем повыситься на 2 градуса, поэтому можно смело говорить о глобальном потеплении климата на планете Земля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы установлен целый ряд закономерностей, происходящих в результате изменения газового состава атмосферы.
Состав атмосферы не оставался постоянным, а изменялся во времени, чутко реагируя на события и явления, происходящие на земной поверхности. Химический состав первичной атмосферы в корне не похож на состав атмосферы наших дней.

В результате активной промышленной деятельности человека существенные изменения в газовом составе атмосфере происходили лишь в последние два столетия, но даже и столь незначительного времени хватило для сильного загрязнения атмосферы и начала разрушения озонового экрана планеты.

Главное следствие всех этих изменений – глобальное потепление климата на Земле. В среднем, установлено, что примерно к 2050 году среднегодовая температура повыситься на два градуса, что должно привести к повышению уровня мирового океана, и затоплению прибрежных районов материков.

Как не прискорбно это осознавать, но тенденции удручающие. В ближайшие 1000 лет возможно сильнейшее усиление парникового эффекта и следствием этого будет не только таяние вековых бедняков, но и вымирание живых организмов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. – М.: Недра, 1985.

2. Грэбхем С. Вокруг света. – Нью-Йорк: Кингфишер, 1995.

3. Неклюкова Н.П. Общее землеведение. – М.: Просвещение, 1976.

4. Костицын В.А. Эволюция атмосферы биосферы и климата. – М.: Наука, 1984.

5. Максаковский В.П. Географическая картина мира. – Ярославль: Вехне-Волжское книжное издательство, 1996.

6. Мезенцев В.А. Энциклопедия чудес. – М.: Знание, 1983.

7. Мирская Е. Погода, - Лондон: Дорлинг Киндерсли Лимитед, 1997.

8. Чандлер Т. Воздух вокруг нас. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

Московский Комитет Образования Московский Городской Педагогический Университет КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ И ЭКОЛОГИИ «Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем» реферат по ОБЩЕМУ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЮ студента I курса, г

Кафедра астрономии в Петербургском университете — одна из старейших в России. Она была учреждена в январе 1819 года. Первым заведующим кафедрой был академик В.К.Вишневский, после него в течение более чем 40 лет ее занимал академик А.Н.Савич. В 1881 году усилиями профессора С.П.Глазенапа в Университете была основана Астрономическая обсерватория, в 1992 году преобразованная в Астрономический институт.

В разные годы на Астрономическом отделении учились, работали и преподавали выдающиеся ученые — В.А.Амбарцумян, В.В.Соболев, В.А.Домбровский, В.В.Шаронов, К.Ф.Огородников, М.Ф.Субботин и другие. Предметом особой гордости отделения является то, что два его выпускника — академики В.А.Амбарцумян и А.А.Боярчук — в течение ряда лет возглавляли Международный Астрономический Союз.

В настоящее время Астрономическое отделение математико-механического факультета Санкт-Петербургского университета состоит из Астрономического института и трех кафедр: астрономии, небесной механики, астрофизики. Институт включает лаборатории теоретической астрофизики, наблюдательной астрофизики, активных ядер галактик, астрометрии, небесной механики и звездной астрономии, радиоастрономии и физики Солнца. В институте и на кафедрах работает около 80 ученых, из них 21 доктор и 43 кандидата наук.

Научные и учебные лаборатории отделения оснащены современным оборудованием. Специальная астрономическая библиотека, насчитывающая около 20 000 единиц хранения, получает многие российские периодические научные издания и основные астрономические журналы из-за рубежа. Всеми ресурсами пользуются как сотрудники, так и аспиранты и студенты Астрономического отделения.

Астрономы Университета проводят наблюдения на многих телескопах России, ближнего и дальнего зарубежья: на 6-метровом оптическом телескопе и на 600-метровом радиотелескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН, на телескопах Пулковской и Крымской обсерваторий, а также на крупных телескопах во Франции, Германии, Италии и даже на Гавайских островах. Сотрудничество с ведущими астрономическими учреждениями мира стало неотъемлемой частью жизни университетских астрономов.

Астрономические исследования

Современная астрономия изучает самые разнообразные объекты — от соседней Луны и искусственных небесных тел до находящихся на "краю" Вселенной квазаров. Это звезды, большие и малые планеты, их спутники, галактики и квазары, пылевые и газовые облака, излучение, гравитационные и магнитные поля, а также космические лучи. Вселенная — уникальная физическая лаборатория, позволяющая изучать вещество во всех состояниях, в том числе и недоступных для исследования методами "земной" физики.

В Санкт-Петербургском университете представлены многие направления астрономических исследований. Перечислим важнейшие:

• фрактальная структура Вселенной
• галактики с активными ядрами
• скрытая масса в галактиках
• спиральная структура нашей Галактики
• кинематика звезд
• взаимодействие излучения и вещества в различных космических объектах
• синтез химических элементов в звездах
• звезды с протопланетными системами
• радиоизлучение Солнца
• динамика межпланетного вещества
• эволюция орбит в планетных и спутниковых системах
• математические методы обработки астрономических наблюдений
• расчет конструкции и оптики телескопов

Как правило, научные исследования выполняются в тесном взаимодействии с сотрудниками учреждений Российской Академии Наук: Главной (Пулковской)астрономической обсерватории , Специальной астрофизической обсерватории , и др., а также зарубежных институтов и обсерваторий.

Ежегодно астрономы Университета публикуют 1-2 книги и около 90 статей, из них половину — в международных научных журналах. Достижения астрономов Университета отмечены престижными премиями, большим числом персональных и коллективных грантов, многочисленными приглашениями на российские и международные научные конференции. Имена наших ученых есть на картах Луны и Марса. В честь А строномической О бсерватории Л енинградского У ниверситета назван астероид Аолута , 9 других носят имена выдающихся астрономов Университета.

Обучение астрономии

По университетской традиции чтение лекций и работу с аспирантами и студентами осуществляют ведущие ученые. Процесс обучения студентов можно разделить на два этапа:

• на первом — изучаются основные математические, физические и астрономические дисциплины, а также программирование,
• на втором — основное внимание уделяется подготовке по одной из восьми специализаций (астрометрия, небесная механика, звездная астрономия, теоретическая астрофизика, наблюдательная астрофизика, радиоастрономия, физика Солнца, физика планетных систем).

Общая продолжительность обучения на Астрономическом отделении Санкт-Петербургского университета — 6 лет.

После выбора специализации студенты старших курсов слушают лекции и участвуют в семинарах по различным направлениям современной астрономии, например: космической астрометрии, динамике звездных систем, физике и эволюции звезд, физике галактик и скоплений галактик, радиоастрономическим исследованиям Солнца, релятивистской и стохастической небесной механике и др.

Особое место в подготовке студентов занимают астрономические наблюдательные практики, часть которых проходит в крупнейших обсерваториях и институтах нашей страны, ближнего и дальнего зарубежья. Большое внимание в процессе обучения уделяется активному освоению компьютерных технологий. Этому способствует высокая оснащенность Астрономического института как современными вычислительными средствами, так и новейшими компьютерными программами для обработки астрономических наблюдений и моделирования космических объектов.

Студенты и аспиранты Астрономического отделения принимают непосредственное участие в научных исследованиях под руководством старших коллег. Это является исключительно важным для формирования высококлассных специалистов, способных вести научную работу на мировом уровне.

Астрономическое отделение СПбГУ дает фундаментальное образование, которое можно применять в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Выпускники астрономического отделения работают в астрономических учреждениях Санкт-Петербурга — Главной (Пулковской) астрономической обсерватории, Институте прикладной астрономии, Астрономическом институте Санкт-Петербургского университета, а также в институтах и обсерваториях России и стран СНГ. Немалое количество выпускников проходят стажировку и работают за рубежом: в Германии, США, Франции, Швеции, Финляндии, Польше и других странах. Помимо научной деятельности, выпускники отделения находят себя как преподаватели элитарных школ и вузов, программисты, специалисты в области компьютерных и сетевых технологий. После окончания учебы студенты могут поступить в аспирантуру для продолжения научной работы и защиты диссертации.

Согласно подсчетам специалистов, в нашу эпоху объем научной информации о явлениях природы удваивается каждые 10–12 лет. И это, судя по всему, не простая регистрация интересного факта, а отражение объективного закона развития общества на его современном этапе. Следовательно, для того чтобы идти в ногу с прогрессом, необходимо обеспечить развитие науки именно с таким ускорением.

«В эпоху, когда все в большей мере проявляется роль науки как непосредственной производительной силы, - говорил на XXIV съезде КПСС Генеральный секретарь ЦК КПСС Л. И. Брежнев, - главным становятся уже не отдельные ее достижения, какими бы блестящими они ни были, а высокий научно-технический уровень всего производства» [Материалы XXIV съезда КПСС. М., 1971, с. 56].

Без науки не могут быть успешно решены и такие кардинальные проблемы, стоящие перед современным человечеством, как освоение космоса, сохранение окружающей среды, разработка и создание новых источников энергии и т. п.

Сегодня прогресс науки стал одним из ведущих факторов, определяющих судьбы всего человечества. В частности, в нашей стране наука превратилась в один из главных источников повышения материального уровня жизни народа, она оказывает все большее влияние на все стороны жизни советских людей.

В эпоху научно-технической революции неизмеримо возросла роль фундаментальных научных исследований - изучения наиболее глубоких, всеобъемлющих, основополагающих закономерностей окружающего нас мира.

Именно фундаментальные исследования в конечном счете вызывают наиболее существенные революционные сдвиги в технике и производстве.

«Мы прекрасно знаем, - говорил в Отчетном докладе ЦК КПСС XXV съезду партии Генеральный секретарь ЦК КПСС Л. И. Брежнев, - что полноводный поток научно-технического прогресса иссякнет, если его не будут постоянно питать фундаментальные исследования» [Материалы XXV съезда КПСС. М., 1976, с. 48].

Многое в изучении фундаментальных свойств мироздания наука уже постигла, но Вселенная бесконечно разнообразна, и, как справедливо заметил один древний мудрец, чем шире круг наших знаний, тем больше и линия соприкосновения с неизвестным.

Но для того чтобы сегодня на достигнутом уровне наших знаний в это неизвестное проникнуть, необходимо изучать материю в экстремальных ее состояниях.

Огромные температуры в десятки и сотни миллионов градусов. Колоссальные давления в десятки и сотни миллионов атмосфер. Чудовищные плотности в сотни миллионов и миллиарды тонн в кубическом сантиметре. Гигантские энергии, сравнимые с энергией взрыва термоядерного заряда с массой, равной десяткам тысяч масс Солнца. Космический вакуум…

Таковы те физические условия, исследование которых необходимо для прогресса современной науки. Однако воспроизвести подобные условия в земных лабораториях, разумеется, невозможно.

И все же лаборатория, где подобные необычные состояния материи реализуются, существует. Это бесконечно разнообразная лаборатория Вселенной.

«Следует признать, - подчеркивает известный физик-теоретик Р. Дикке, что в принципе и физик и его приборы так прочно связаны с остальной частью Вселенной, так органически погружены в нее, что даже мысленное разделение их невозможно».

По образному выражению доктора физико-математических наук Н. В. Мицкевича, современным физикам для дальнейшего проникновения в тайны природы потребовалось «поместить» в своих лабораториях звезду, галактику и даже Вселенную.

Именно этими обстоятельствами объясняется всевозрастающий интерес к изучению Вселенной, в особенности разнообразных физических процессов в космосе.

Представления о Вселенной всегда являлись важнейшей составной частью научной картины мира. Не случайно на протяжении многих веков наука о Вселенной - астрономия была «лидером» естествознания. В частности, именно астрономические наблюдения послужили исходным фундаментом для открытия законов механики и закона всемирного тяготения, т. е. для построения основ классической физики.

В дальнейшем на первое место выдвинулась физика, создавшая такие основополагающие теории, имеющие принципиальное значение для познания окружающего нас мира, как квантовая механика и теории относительности.

В наше время возросло значение астрофизических исследований. Если раньше эта область астрономии, занимающаяся изучением физической природы явлений, протекающих в далеких и недоступных глубинах космоса, казалась наиболее отвлеченной и оторванной от реальной жизни, то сегодня именно она приобрела наибольший практический интерес.

Если заняться подсчетом фундаментальных открытий, сделанных за последние десятилетия в различных областях пауки, то мы обнаружим, что астрофизика занимает по этому показателю одно из первых мест в современном естествознании.

Благодаря развитию принципиально новых средств изучения космических явлений и выдающимся открытиям, сделанным в глубинах космоса, благодаря неограниченной возможности черпать уникальную информацию в бесконечно разнообразной природной лаборатории Вселенной сейчас, по-видимому, наступает новая эра в развитии естествознания, эра, в которой астрофизике будет принадлежать ведущее положение.

«Наука значительно продвинулась вперед в изучении Вселенной, в том числе звезд, ядер галактик, процессов протекающих на Солнце, космических лучей, - отмечает вице-президент АН СССР академик В. А. Котельников. Фундаментальные открытия современной астрофизики, связанные с возможностями наблюдения в новых диапазонах электромагнитных волн, прояснили некоторые аспекты эволюции звезд, галактик. Вселенной.

Дальнейшее развитие астрономических наблюдений как с поверхности Земли, так и с помощью космических кораблей и искусственных спутников позволит получать все более полную информацию о многих явлениях в цепи космической эволюции, о загадочных астрофизических объектах».

Вселенная - часть мира

Естествознание изучает не всю материю, а только те или иные ее аспекты, которые определяются характером человеческой деятельности. Сейчас нам вновь придется вернуться к этому вопросу в связи с необходимостью выяснить, что именно мы должны понимать под термином «Вселенная».

Начнем с того, что в научно-популярной и научной литературе то и дело встречаются выражения вроде «начало Вселенной», «границы Вселенной», «когда Вселенной не было»…

Подобные выражения вызывают естественное недоумение: если у Вселенной было начало, следовательно, она не вечна? Но как же в таком случае быть с одним из основных положений материализма о вечности Вселенной?

Чтобы лучше в этом разобраться, попробуем представить себе беседу между двумя воображаемыми персонажами - Любителем астрономии и Философом, занимающимся методологическими проблемами науки о Вселенной.

Любитель. Еще несколько лет назад, читая научно-популярную литературу по астрономии, я отчетливо понимал, что подразумевается под термином «Вселенная». Но в последнее время я совершенно запутался. Может быть, теперь под Вселенной понимают что-либо иное?

Философ. А что, по-вашему, понимали под Вселенной раньше?

Любитель. Если не ошибаюсь, всегда считалось, что Вселенная-это «все существующее».

Философ. Однако термин «существование» в достаточной степени многозначен. И поэтому, необходимо уточнить, о каком именно существовании идет речь.

Любитель. Ну вообще обо всем, что существует во Вселенной.

Философ. Не кажется ли Вам, однако, что при этом получается порочный круг: «Вселенная» - это то, что существует во «Вселенной»?

Любитель. Да, в самом деле…

Философ. И наверное, вряд ли имеет смысл считать существующим то, о существовании чего мы не имеем никакой информации.

Любитель. Понимаю… Тогда, очевидно, существующим следует считать то, что удается непосредственно наблюдать с помощью современных средств научного исследования.

Философ. Это уже нечто более определенное. Но прежде чем принять ваше предложение, попробуем сначала его проанализировать. Если согласиться с вашим определением, то в сравнительно недалеком прошлом под Вселенной мы должны были бы понимать «звездную Вселенную», т. е. нашу Галактику. А сейчас, когда нам известны и другие галактики, часть «Большой Вселенной» Метагалактику.

Любитель. Ну что ж… Видимо, так оно и есть.

Философ. Возможно, все было бы хорошо, если бы не одно «но». К сожалению, и физика, и астрономия уже убедили нас в том, что наблюдаем ость - весьма ненадежный критерий существования.

Любитель. Я не совсем хорошо понимаю, что вы имеете в виду.

Философ. Могу пояснить. Как известно, из-за конечной скорости распространения электромагнитных волн все космические объекты мы наблюдаем с запозданием, тем более значительным, чем дальше они находятся. Скажем, всем известная Полярная звезда расположена на расстоянии около 500 световых лет - значит, мы видим ее такой, какой она была около пяти веков тому назад. Можно ли при таких условиях безоговорочно утверждать, что она существует, на основании того, что мы ее наблюдаем сегодня? Вероятно, существует, поскольку за 500 световых лет со звездой такого типа вряд ли может произойти что-либо кардинальное. И все же это только вероятность. А ведь есть нестационарные космические объекты, где глубокие качественные изменения происходят в сравнительно короткие промежутки времени, буквально в течение нескольких лет? Как быть с ними? Возможны и еще более сложные ситуации. Одним словом, наблюдаем ость как критерий существования для астрономии, на мой взгляд, мало пригодна.

Я думаю, правильнее исходить из другой идеи, согласно которой во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий и явлений, допускаемых основными физическими теориями…

Любитель: Но поскольку наши знания об окружающем мире развиваются, а вместе с ними и основные физические теории, это автоматически означает, что различным уровням развития науки соответствуют разные Вселенные.

Философ. Я думаю, Вселенную следует рассматривать не как целостный аспект всего существующего, а применительно к определенному уровню человеческой практики. Другими словами, Вселенная - эта та область процессов и явлений, которая выделена современными научными средствами, наблюдательными и теоретическими.

Любитель: Значит, в самом деле так? Может быть несколько Вселенных! Странная ситуация.

Философ. Ничего странного. Каждая космологическая теория воссоздает Вселенную «по-своему», строит свою модель. И «Вселенные» разных теорий не совпадают друг с другом. Не следует только упускать из вида, что любая такая «теоретическая» Вселенная никогда на станет полностью завершенным «изображением» реального мира. Дальнейшие исследования с неизбежностью будут его дополнять и углублять…

Между прочим, если с этой точки зрения взглянуть на сменявшие друг друга учения о мире, то станет совершенно ясно, что хотя все эти учения претендовали на описание мира в целом, в действительности каждое из них относилось лишь к ограниченной области Вселенной, границы которой при переходе от одного учения к другому постепенно расширялись.

Так, система мира Аристотеля - Птолемея верно отразила некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру… Таким образом, это было учение собственно о Земле.

Система мира Коперника фактически описывала строение Солнечной системы, а система мира Гершеля - строение нашей Галактики…

Вселенная расширяется

Каковы в основных чертах современные представления о Вселенной?

Центральная звезда нашей планетной системы - Солнце входит в состав гигантского звездного острова - галактики. Наша Галактика имеет спиральное строение и состоит из 150 миллиардов звезд. Ее поперечник достигает 100 тысяч световых лет.

За пределами нашей Галактики расположены другие звездные острова. Ближайшие вместе с ней образуют так называемую Местную систему. В нее, в частности, входит знаменитая галактика в созвездии Андромеды, расстояние до которой составляет около 2 миллионов световых лет.

В той области мира, которая доступна современным астрономическим наблюдениям, расположены миллиарды галактик. Их совокупность называется Метагалактикой.

Еще в начале текущего столетия в науке господствовало представление о том, что Вселенная стационарна и в основных своих чертах не изменяется с течением времени.

Однако в 1922 г. талантливый советский математик А. А. Фридман (1888–1925) обнаружил, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна, описывающие поведение Вселенной, не имеют стационарных решений.

Из работы Фридмана следовало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. В дальнейшем этот теоретический вывод был подтвержден астрономическими наблюдениями, обнаружившими в спектрах галактик красное смещение спектральных линий. Как известно, подобное явление возникает в тех случаях, когда источник волновых колебаний удаляется от наблюдателя (эффект Доплера).

Мы сейчас не будем вдаваться в историю споров, развернувшихся вокруг истолкования красного смещения в спектрах галактик. Во всяком случае, к настоящему времени можно считать достаточно надежно установленной доплеровскую природу этого явления. Это означает, что все галактики разбегаются в разных направлениях, и, чем дальше находится от нас та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Происходит растяжение пространства, не имеющее единого центра, и такое, что скорость увеличения расстояния между двумя любыми точками пропорциональна этому расстоянию.

Таким образом, мы живем в расширяющейся Вселенной.

Зная скорости удаления галактик, можно мысленно повернуть картину расширения вспять, и тогда мы придем к фундаментальному выводу о том, что 15–18 миллиардов лет назад Вселенная находилась в ином состоянии, чем в нашу эпоху. Не было ни звезд, ни галактик, ни других обособленных космических объектов. Существовал только сгусток сверхплотной горячей плазмы.

Взрывной распад и расширение этого сгустка и привели в конечном итоге к возникновению всего того разнообразия объектов и физических условий, которые мы наблюдаем во Вселенной в нашу эпоху.

Таким образом, Вселенная изменяется во времени.

Ее прошлое не тождественно настоящему, а настоящее - будущему.

Существенному пересмотру подверглись также представления о том, что во Вселенной преобладают чрезвычайно медленные и плавные процессы. Как выяснилось в последние десятилетия прежде всего благодаря исследованиям советских астрономов, многие фазы развития материи в космосе резко нестационарны и носят характер взрыва, дезинтеграции, рассеяния. И подобная нестационарность проявляется в космических явлениях самых различных масштабов, на разных уровнях существования материи.

Как отметил академик В. А. Амбарцумян, важнейшим следствием этих открытий явилось, превращение астрофизики в эволюционную науку. Если раньше астрофизика в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их предыстории, происхождения и развития, качественных превращений, переходов материи из одних форм в другие.

Прошлое и настоящее

Таким образом, возникает задача выяснения прошедших состояний космических объектов, последовательных этапов их развития. Задача чрезвычайно сложная, если учесть, что речь идет о громадных промежутках времени в миллионы и миллиарды лет и о таких состояниях, которые в нашу эпоху могли претерпеть кардинальные изменения.

Однако история естествознания показывает, что если перед наукой возникают те или иные задачи, то находятся и пути их решения. В частности, современная астрофизика располагает - вполне реальными возможностями проникновения в прошлое.

Вообще говоря, для того чтобы раскрыть закономерности развития какого-либо интересующего нас объекта, необходимо изучать его в движении, где движение понимается в широком смысле как любое изменение.

Существует старинная легенда о короле, который однажды задал своим мудрецам нелегкую задачу. Пригласив их во дворец, он указал им на большой каменный шар, лежавший посреди двора и попросил определить, что находится внутри его. Один за другим пытались мудрены разрешить трудную задачу. Сутками напролет просиживали они наедине с шаром, пристально вглядываясь в его и стараясь силой мысли проникнуть внутрь камня. И один за другим удалялись, понурив голову, так и не справившись с заданием. Так продолжалось до тех пор, пока среди мудрецов не нашелся действительно мудрый человек. Он приказал разложить под загадочным шаром костер и нагревал его до тех пор, пока раскаленный камень пе треснул и шар не распался на две половинки. И тогда все увидели, что внутри шара нет ничего, кроме камня…

Если бы объект исследования был неподвижен, если бы с ним ничего не происходило, если бы в нем не было никаких изменений, то о нем нельзя было бы узнать что-либо достоверное. Подлинно научное доследование основано на изучении реальных изменений, происходящих в природе.

Конечно, и для «неподвижного» объекта можно сочинить предысторию. Но именно сочинить, потому что реалистичность подобных гипотез выявится лишь в том случае, если нам удастся проверить, в какой степени они предсказывают и объясняют происходящие изменения.

Представьте, что перед вами готовое, оштукатуренное, новенькое здание. И вы смотрите на него со стороны и совершенно ничего не знаете о том, из чего и каким способом оно сооружено. При такой ситуации можно строить любые гипотезы:: скажем, что оно сложено из кирпича, или кусков гранита, или панелей, или блоков, И любая из этих гипотез будет представляться одинаково правдоподобной.

Совсем иная ситуация возникла бы в том случае, если бы мы застали период, когда здание еще воздвигалось. Наблюдая за стройкой, мы. не только смогли бы разрабатывать вполне реалистические гипотезы, но и проверять их обоснованность дальнейшими наблюдениями.

К сожалению, астрономам приходится, как правило, иметь дело е почти «неподвижными» объектами. Таковы, например, большинство звезд и галактик, которые развиваются настолько медленно, что для человечества с его сравнительно короткой (с точки зрения космических масштабов) шкалой жизни они практически остаются неизменными. Даже целое столетие в истории подобного объекта все равно что секунда в нашей обыденной жизни. Наблюдая за подобными объектами много десятилетий подряд, мы все равно получаем как бы одну и ту же «моментальную» фотографию. Есть ли выход из этого действительно затруднительного положения?

Обратимся к нашему примеру с выстроенным домом.

Можно ли все-таки выяснить, как его сооружали? Для этого следует совершить «экскурсию» по городу и отыскать другие точно такие же дома, но на разных стадиях строительства. И если даже наша экскурсия будет совершена в воскресный день, когда все «неподвижно», мысленно расположив обнаруженные дома один за другим по «стадиям завершенности», мы получим «возрастной ряд», который поможет нам представить все последовательные этапы возведения дома.

Примерно так же поступают и ученые в своих трудных поисках прошлого звезд и галактик. Мир этих космических объектов чрезвычайно разнообразен. И это разнообразие объясняется не только существованием многих типов подобных космических объектов, но и тем, что различные звезды и галактики могут находиться в данный момент на разных этапах своей эволюции.

Чтобы судить о путях развития небесных тел, надо разделить их на классы однотипных объектов и внутри каждого такого класса составить «возрастной ряд». Подобный ряд вполне может заменить ряд следующих друг - за другом во времени состояний одного и того же интересующего нас объекта.

Подобный метод, который можно назвать «методом сравнения», находит применение не только в астрономии, но и во многих других областях современного естествознания.

Однако нередко бывает и так, что интересующий нас объект известен нам в единственном экземпляре. Таковы, например, наша планетная система или Метагалактика. Сравнить их не с чем. Но и в этом случае возможности для выяснения их предыстории есть. Еще В. И. Ленин отмечал, что в фундаменте самого здания материи можно «предполагать существование способности, сходной с ощущением», [Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. собр. соч., т. 18, с. 40] что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения.

В наше время это свойство материи - хранить следы прежних состояний нашло практическое применение.

Достаточно напомнить хотя бы о «памяти» электронно-вычислительных машин и кибернетических устройств.

Итак, любая материя может обладать «памятью».

С этой точки зрения все закономерности окружающего вас мира можно разделить на две большие группы - закономерности, которые определяются основными, фундаментальными законами природы, и закономерности, которые постепенно складываются в процессе развития той или иной конкретной материальной системы.

Очевидно, закономерности первого типа не зависят от истории - они всегда одинаковы, а их проявления определяются конкретными условиями. Скажем, законы Кеплера действуют в Солнечной системе вне зависимости от путей се формирования. Следовательно, такие закономерности сами по себе ничего не могут сообщить нам об истории данной системы.

Что касается закономерностей второго типа, то они непосредственно зависят от хода эволюции и потому способны многое рассказать о прошлом. Иными словами, современное состояние многих материальных систем довольно часто содержит определенные сведения об их предыстории.

Но если материя способна хранить «следы» былого, то это значит: главный «ключ» к познанию прошлого космических объектов состоит прежде всего в глубоком изучении их современных состояний.

Тут невольно напрашивается сравнение с работой детектива. Вот он прибывает на место преступления. Оно совершилось, преступник исчез. Теперь необходимо восстановить то, что произошло несколько часов назад: без этого злоумышленник пе будет пойман. Живых свидетелей нет. И казалось бы, задача безнадежна. Однако есть другие свидетели - предметы, вещи. Они, хотя и мертвы, но отнюдь не безмолвны. В результате преступления в состоянии окружающей среды что-то изменилось: как бы ни изощрялся преступник, он почти неизбежно оставит какие-то следы. И по этим иногда едва различимым, казалось бы, ничего не говорящим следам опытный детектив сможет восстановить картину случившегося.

Сходные задачи приходится решать и ученому, интересующемуся былым состоянием тех или иных объектов. Кстати, мы уже воспользовались подобным способом, когда по картине современного движения галактик пытались восстановить прошлое Вселенной.

Рассмотрим в качестве примера проблему происхождения Солнечной системы. Наука располагает фактическими данными лишь о ее современном состоянии. Выход, очевидно, состоит в том, чтобы искать отражение минувшего в той картине планетной семьи Солнца, которая существует сегодня. Такой подход ограничивает диапазон возможных гипотез - ведь далеко не всякий путь развития мог привести Солнечную систему к ее современному виду…

Каковы те закономерности в строении Солнечной системы, которые можно было бы отнести ко второму типу, т. е. закономерности, зависящие от предыстории?

Это прежде всего закономерности планетных движений. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, а их орбиты мало отличаются от окружностей. Между тем согласно законам механики обращение небесных тел под действием сил тяготения вокруг массивного центрального ядра должно происходить по различным направлениям, в разных плоскостях и по вытянутым, эллиптическим орбитам. Движение по окружностям в одном направлении да еще в одной плоскости - редчайший частный случай, и вероятность того, что он осуществится, например, при случайном объединении не связанных друг с другом небесных тел, практически равна нулю.

Это обстоятельство указывает на то, что семья Солнца сформировалась в каком-то едином процессе, в ходе которого и сложились наблюдаемые особенности планетных движений.

Об этом же говорит и разделение планет Солнечной системы на две группы, отличающиеся по своим свойствам. Одну из них составляют четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Они сравнительно невелики по размерам и состоят преимущественно из тяжелых химических элементов. Во вторую группу входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, Это планеты-гиганты, состоящие в основном из водорода и его соединений и гелия.

Таким образом, всерьез можно, рассматривать лишь те космогонические гипотезы, которые не только описывают, как вещество из допланетного состояния сформировалось в планеты, но и показывают, как в этом процессе сложились современные закономерности Солнечной системы.

В тех случаях, когда речь идет об изучении Вселенной, ученые располагают еще одной возможностью - возможностью непосредственного наблюдения предшествующих стадий развития космических объектов.

В обычной жизни мы видим все происходящее в тот самый момент, когда оно совершается в действительности. И даже тогда, когда, находясь в Москве, мы смотрим телевизионную передачу из далекого Владивостока, которая транслируется через искусственный спутник Земли, события в дальневосточной студии и на экране происходят фактически одновременно. Это и понятно, если вспомнить, что электромагнитные волны распространяются с колоссальной скоростью-около 300000 км/с. Такая скорость позволяет им мгновенно преодолевать любые земные расстояния.

Иное дело - расстояния космические. Уже от Лупы - ближайшего небесного тела - свет идет к нам больше секунды, а от Солнца - восемь минут восемнадцать секунд. Для того чтобы пробежать расстояние от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы Плутона, световая волна затрачивает пять с половиной часов, а ближайшей звезды Проксимы Центавра она достигнет только через четыре года и четыре месяца.

Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду назад, Солнце - с опозданием на 8 минут 18 секунд, а Проксиму Центавра - на 4 года и 4 месяца.

Таким образом, наблюдая небо, мы непосредственно заглядываем в прошлое Вселенной. И чем дальше находится тот или иной объект, тем в более отдаленные времена мы проникаем.

Если бы, скажем, хорошо знакомая всем Полярная звезда сегодня вообще перестала существовать, то мы, находясь на Земле, продолжали бы видеть эту фактически уже не существующую звезду еще на протяжении 500 лет - как раз тот срок, который необходим световым лучам, чтобы преодолеть огромное расстояние, отделяющее Полярную звезду от Земли.

Таким образом, каждая звезда, каждая галактика, которую мы видим, одна из живых страниц истории Вселенной.

Современные средства астрономических исследовании позволяют наблюдать объекты, расположенные на расстояниях вплоть до 10–12 миллиардов световых лиг.

Это означает, что соответствующие этим расстояниям объекты мы наблюдаем такими, какими они были 10–12 миллиардов лет тому назад.

Более того, в принципе есть возможность получать непосредственную информацию и о самых ранних этапах существования Вселенной. Из теории расширяющейся Вселенной следует, что через несколько сотен тысяч лег после начала расширения плотность среды снизилась настолько, что электромагнитное излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве.

Это «ископаемое», реликтовое излучение дожило до нашей эпохи и в настоящее время надежно регистрируется радиотелескопами. Изучение его свойств, в частности, показало, что начальное вещество обладало весьма высокой температурой, - это была горячая плазма.

Реликтовое излучение несет нам прямую информацию о периоде, отстоявшем от начала расширения на несколько сотен тысяч лет.

Современные фундаментальные физические теории дают нам полные достоверные данные, вплоть до еще более раннего момента, когда расширяющийся сгусток обладал ядерной плотностью. Этот момент отстоял от начала расширения не более чем на одну секунду.

Таким образом, мы уже сейчас располагаем достаточно надежными, сведениями об отрезке времени, продолжительность которого составляет 99,99 всей истории Метагалактики…

Разумеется, всякая экстраполяция, т. е. распространение наших знаний в прошлое или будущее Вселенной, неизбежно влечет за собой известную долю неопределенности. И чем дальше мы углубляемся в прошлое или будущее, тем эта неопределенность больше. Хотя по мере развития науки она неуклонно уменьшается.

Есть принципиальная возможность получить непосредственную информацию и о самых первых мгновениях расширения Вселенной.

Реликтовые нейтрино могут принести нам сведения вплоть до момента, отстоявшего от начала расширения всего на 0,3 секунды. На еще более ранней стадии плотность вещества была настолько велика, что оно было непроницаемым даже для нейтрино.

Об этой стадии, возможно, могли бы рассказать так называемые гравитационные волны.

Пока что реликтовые нейтрино и гравитационные волны мы регистрировать не умеем. Но суть дела от этого не меняется. Со временем способы регистрации этих излучений будут разработаны, и у исследователей Вселенной появится возможность получать информацию о начальном этапе ее существования.

Неизбежность все более странного мира

С каждым новым фундаментальным открытием мир представал перед взором человека все более странным и необычным, сперва с точки зрения повседневных наглядных представлений о нем, обыденного здравого смысла, в по мере дальнейшего развития науки - и с точки зрения господствующих в данный момент, успевших стать привычными научных представлений.

«Именно прогресс фундаментальных знаний, - говорил с трибуны XXV съезда КПСС президент Академии наук СССР, академик А. ЧП. Александров, - изменяет, казалось бы, установившиеся и незыблемые в науке точки зрения, открывает новые области в науке и технике… открывает возможности использования совершенно новых, часто неожиданных явлений в областях, совершенно не имевших никакого отношения к первоначальной области исследований».

Отмечая то обстоятельство, что свойства реального мира, открываемые в процессе научного исследования, могут вступать в противоречие с нашими привычными представлениями о нем, выдающийся физик XX столетия Макс Борн (1882–1970) подчеркивал, что решающим фактором развития естествознания является «необходимость признания человеком внешнего реального мира…, существующего независимо от человека и его способности идти вразрез со своими ощущениями там, где это нужно для сохранения данного убеждения».

Многие великие научные открытия основаны на способности ученого отвлекаться от своего обыденного опыта и гипноза наглядных представлений. Дело в том, что одна из характерных особенностей мира явлений, изучаемых современным естествознанием, состоит в том, что эти явления становятся все менее и менее наглядными.

В свое время некоторые философы считали: то, что нельзя наглядно представить, скажем замкнутый в себе мир, не может и существовать. Осознание того факта, что мир «странных», диковинных явлений реально существует и познается наукой, помогает освободиться от такого примитивного, неправильного подхода к пониманию природы и тем самым способствует прогрессу естествознания.

Очень многое из того, что изучают современная физика и астрофизика, нельзя представить себе наглядно.

Но понять можно! И в этом главное. Например, совершенно невозможно представить себе пространства со сложной геометрией. Но их свойства можно понять и описать с помощью соответствующего математического аппарата.

В то же время это вовсе не означает, что современные физики и астрономы в процессе научного исследования вообще не пользуются наглядными представлениями. Наглядные образы необходимы как в ходе научного поиска, так и при объяснении сложных явлений. Flo эти образы нельзя отождествлять с самим реальным миром: они носят условный, вспомогательный характер.

Копернику одному из первых удалось преодолеть гипноз наглядных представлений об окружающем мире и разглядеть за видимыми перемещениями небесных светил их подлинные движения в мировом пространстве.

Но и ряд последующих шагов, которые в конечном счете привели к построению картины мира классической физики, был также связан с преодолением, привычных представлений. Открывая свои «три закона», Кеплер преодолел распространенное в то время убеждение о круговом характере планетных орбит и движении планет с постоянными угловыми скоростями.

Формулируя свой «принцип инерции», Галилей должен был преодолеть представление о том, что равномерное прямолинейное движение тола происходит под действием постоянной силы.

Ньютон открыл закон тяготения вопреки убеждению о том, что планеты «подталкивают» какие-то неведомые таинственные силы…

И все же пока физика ограничивалась изучением таких процессов, с которыми человек сталкивается более или менее непосредственно, ее выводы не вступали в какие-либо особые противоречия с нашим повседневным опытом.

Когда же в начале XX столетия физика вторглась в мир микроявлений и занялась глубоким осмысливанием физических процессов космического масштаба, то она обнаружила ряд фактов, обстоятельств и закономерностей, которые оказались весьма странными и необычными не только с точки зрения обыденного здравого смысла, но и с позиций всего предшествующего классического естествознания.

Эти странности нашли свое отражение прежде всего в двух величайших теориях нашего века - квантовой механике и теории относительности.

Первая из них утвердила совершенно новые представления о свойствах мельчайших частиц материй - элементарных частиц. Оказалось, например, что не существует принципиальной разницы между частицей и волной, между веществом и излучением. В одних ситуациях частицы проявляют свои корпускулярные свойства, в других - волновые. Вещественные частицы могут превращаться в излучение, а порции излучения - фотоны - в вещественные частицы.

Одним из самых поразительных выводов квантовой физики, противоречащих как наглядным представлениям о мире, так и основам классической физики, явился так называемый принцип неопределенности, о котором было упомянуто в одной из предыдущих глав. Оказалось, что у микрочастицы никакими средствами невозможно одновременно точно измерить скорость и положение в пространстве. Это означало, что у микрочастиц нет траекторий движения в обычном понимании, а они представляют собой нечто вроде размазанного в пространстве облака.

Еще необычнее оказались выводы теории относительности. В частности, выяснилось, что многие физические величины, которые казались абсолютными и неизменными, например, масса какого-либо тола, длины отрезков, промежутки времени, в действительности являются-относительными, зависящими от характера движения системы, в которой происходят те или иные физические явления.

Так, оказалось, что масса тела возрастает с увеличением его скорости. И потому масса, скажем, протона или нейтрона, летящего со скоростью, близкой к скорости света, может в принципе превзойти массу Земли, Солнца и даже массу нашей звездной системы - Галактики.

Но все это были еще только самые первые шаги в тот удивительный, странный мир науки, который во второй половине XX столетия все стремительнее развертывается перед нами.

В глубинах микромира

Одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания является физика микромира, занимающаяся изучением строения материи на уровне микропроцессов - атомов, атомных ядер и элементарных частиц.

В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь двадцать лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц, и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц сейчас их число измеряется сотнями.

Однако застой оказался временным, и в последние годы ситуация изменилась самым существенным образом.

Получила развитие особая область физики элементарных частиц - так называемых новых частиц. Были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами.

Еще в 1964 г. физики-теоретики М. Гелл-Манн в Г. Цвейг, исходя из некоторых теоретических соображений, выдвинули смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах кварках. Согласно этой идее существуют три кварка с дробными электрическими зарядами и три соответствующих им антикварка. Из кварков и антикварков могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны, их античастицы, а также некоторые другие элементарные частицы.

В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.

С 1964 по 1970 г. во многих лабораториях мира предпринимались активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии так и не удалось. Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что эти частицы наконец открыты, по дальнейшие исследования подобные сообщения не подтверждают.

В связи с этим произошло некоторое охлаждение к гипотезе кварков. И в то же время без кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц. Поэтому, несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжала развиваться. В результате теоретики пришли к выводу, что должен существовать еще один четвертый кварк, так называемый С-кварк, со своим антикварном.

В числе прочих физических характеристик этого кварка имеется новое, так называемое квантовое число, получившее название «очарования» или «чарма».

По если есть четвертый кварк, то должны существовать и частицы, в состав которых он входит. Именно одна из таких частиц - джей-пси-мезон и была обнаружена в ноябре 1974 г.

Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит из С-кварка и его антикварка. Эту систему назвали «чармонием».

Если это предположение соответствует действительности, то джей-пси-мезон, видимо, представляет собой нечто иное, как один из возможных энергетических уровней чармония.

Не исключена также возможность, что в природе существуют образования, состоящие из комбинаций «старых» и «новых» кварков. Сперва подобные объекты попытались «сконструировать» теоретики, а в конце 1976 г. появились сообщения об открытии чармированных мезонов и чармированного бариона. Любопытно отметить, что джей-пси-мезон оказался самым тяжелым мезоном среди всех известных современной физике. В то же время весьма велика и продолжительность жизни джей-пси-мезона. Она составляет около 10~20 с. Это примерно в тысячу раз больше, чем продолжительность существования других тяжелых частиц. А в 1977 г. была открыта ипсилон-частица, предсказанная теорией как комбинация шестого кварка и антикварка. Ее масса равна пяти массам протона. Тот факт, что пси-частицы оказались сравнительно долгоживущими, наводит на мысль, что, быть может, в природе есть некое еще неизвестное нам правило запрета, накладывающее «вето» на быстрый распад джей-пси-мезона и других подобных частиц.

Открытие пси-частиц послужило весьма важным свидетельством в пользу гипотезы кварков и заставило еще раз задуматься над тем, почему эти объекты не удается обнаружить на опыте.

Для объяснения возникшей ситуации была предложена любопытная идея так называемого удержания кварков.

Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы, в том числе и кварки, которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде. Согласно этой идее силы, связывающие между собой два кварка, возможно, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы «резиновую» трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого, - «растягиваясь» при внешнем воздействии, она затем - сокращается и возвращает кварк на место. Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить. Не исключено также, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что, помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют и другие, более тяжелые. Возможно, ответ на этот вопрос удастся получить в самое ближайшее время. Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас с новыми объектами, но по мере своего развития ведет в глубины «все более странного мира». Одним из весьма любопытных объектов «странного мира» современной микрофизики являются так называемые сверхсветовые частицы, или тахионы.

Быстрее света

Согласно теории относительности Эйнштейна, которая является одной из фундаментальных основ современного естествознания, скорость передачи любых физических взаимодействий не может превосходить скорости света.

Однако можно предположить, что наряду с миром досветовых взаимодействий существует нигде не пересекающийся с ним мир сверхсветовых скоростей, в котором скорость света является не верхней, а нижней границей скорости физических процессов. Подобное предположение в принципе не только не противоречит существу теории относительности, но, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, обобщая ее на мир, лежащий за световым барьером.

Кстати, это как раз тот случай, когда к новым выводам приводит саморазвитие теории, вытекающее из ее внутренней логики.

Разумеется, справедливость гипотезы тахионов может доказать только эксперимент, по естественность теоретического обобщения, о котором идет речь, производит сильное впечатление.

Если бы тахионы действительно существовали, они оказались бы третьим типом известных нам частиц. Первый из них составляют «досветовые» частицы, которые ни при каких обстоятельствах не могут достичь скорости, в точности равной световой. К их числу относятся почти все известные нам элементарные частицы. Второй тип - частицы, движущиеся точно со скоростью света. К ним относятся фотоны - порции света - и нейтрино. Тахионы явились бы частицами, всегда обладающими сверхсветовыми скоростями.

Возникает вопрос: не является ли гипотеза тахионов физически бессмысленной?

Все дело в том, что соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, в принципе могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие выводы теории, которые вступают в противоречие с тем или иным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза тахионов в подобные противоречия не вступает. Мир тахионов нигде не пересекается с нашим досветовым миром. Те три типа частиц, которые были упомянуты, обладают таким свойством: частицы одного типа ни при каких известных нам взаимодействиях не могут перейти в частицы другого типа. Хотя на более глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может оказаться и не так.

Правда, пока что никаких экспериментальных указаний на возможность существования тахионов получить не удалось. Но, может быть, это связано с тем, что в соответствующих экспериментах не учитывались какие-то еще неизвестные нам свойства этих гипотетических частиц. Одна из интересных возможностей состоит в том, чтобы попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенковскому излучению (подмени советского физика Черенкова). Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны, хотя зафиксировать подобное излучение будет весьма нелегко.

Физика микромира особенно поучительна тем, что в процессе ее развития возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний, физика как наука никогда не закончится.

Развитие теории элементарных частиц ведет - нас ко все более диковинным явлениям, все дальше от привычных, наглядных представлений. Эта теория постепенно обрастает более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в том мире, который нас непосредственно окружает.

В то же время, несмотря на обилие экспериментальных данных, единой теории элементарных частиц пока не существует. Значит ли это, что современная микрофизика нуждается в каких-то принципиально новых, может быть, «безумных идеях»?

В тех сведениях, которыми мы располагаем сегодня о процессах микромира, еще много непонятного. Не исключено, что усилиями теоретиков трудности будут преодолены на основе имеющихся представлений. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.

Таково мнение большинства специалистов, работающих в этой области физической науки.

Удивительная Вселенная

Таким образом, когда наука перешла от изучения обычных, окружающих нас макроскопических явлений к исследованию микропроцессов, то она столкнулась с миром необычных, странных явлений.

Поэтому можно было ожидать, что когда будет сделан скачок в противоположном направлении - от физики макромира к физике мегакосмоса, для которого характерны колоссальные расстояния, огромные промежутки времени и гигантские массы вещества, то мы столкнемся с не менее странными и диковинными явлениями.

Так и произошло! Астрофизика XX века, изучая Вселенную, принесла ряд неожиданных открытий, явно не укладывающихся в рамки традиционных представлений о мироздании и производящих на первый взгляд впечатление необычного, невероятного, не поддающегося объяснению с позиций здравого смысла.

Об открытии расширения Вселенной мы уже говорили.

К не менее удивительным результатам привело и изучение ее геометрических свойств.

Мы не будем сейчас касаться полной драматических событий и крутых поворотов истории изучения этой проблемы. Подлинно научная постановка вопроса о геометрии пространства Вселенной, и в частности о его конечности или бесконечности, стала возможна лишь в начале XX столетия, когда А. Эйнштейном была создана общая теория относительности.

Один из основных выводов этой теории состоит в том, что геометрические свойства пространства зависят от распределения материи. Любая масса искривляет окружающее пространство, и это искривление тем сильнее, чем больше масса.

Сущность общей теории относительности Эйнштейн объяснял примерно так. Если бы из мира вдруг исчезла вся материя, то с точки зрения классической физики пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли бы пространство и время.

Таким образом, не существует абсолютного ньютоновского пространства и абсолютного времени, не зависящих от материи: пространство и время лишь формы ее существования.

Поскольку мы живем в мире, заполненном различными космическими объектами - звездами, туманностями, галактиками, мы живем в искривленном, или, как говорят математики, неэвклидовом пространстве.

В обычной жизни мы этого не замечаем, так как в условиях Земли имеем дело со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Именно по этой причине мы вполне удовлетворяемся обычной эвклидовой геометрией. В земных условиях она является достаточным приближением к реальной действительности. Однако в космических масштабах искривление пространства становится значительным, и его уже нельзя по учитывать. Особенно важное значение это имеет для выяснения геометрических свойств Вселенной. В частности, оказалось, что в искривленном мире неограниченность и бесконечность пространства не одно и то же. Неограниченность пространства - это отсутствие границ. Но оказывается, неограниченное пространство может быть конечным, замкнутым в себе, и бесконечным.

Приведем для наглядности в качестве аналогии сферическую поверхность, поверхность шара конечного радиуса.

И представим себе некое гипотетическое двумерное существо, скажем бесконечно плоского муравья, обитающего v этой поверхности и даже не подозревающего, что существует какое-то третье измерение.

Куда бы ни полз этот муравей, он никогда не доберется до границы своего сферического мира. И в этом смысле сферическая поверхность неограниченна.

Но поскольку радиус ее конечен, то конечна и ее площадь - это конечное пространство.

Неограниченность материального мира не вызывает сомнений. Если мы стоим на позициях материализма и атеизма, мы должны признать, что материальный мир не может иметь границ. Наличие границ означало бы, что за ними располагается нечто нематериальное. Иными словами, мы пришли бы к идеальному, к религии.

Таким образом, вопрос о неограниченности материального мира - это принципиальный мировоззренческий вопрос,

Однако неограниченный мир, как мы уже знаем, может быть как конечным, так и бесконечным. И вопрос о том, каков он на самом деле, нельзя решить из одних лишь философских соображений, его можно решить только путем исследования реальной действительности.

Нетрудно догадаться, что конечность или бесконечность пространства Вселенной зависит от его кривизны, А кривизна, в свою очередь, определяется количеством материи, ее массой.

Соберем мысленно всю материю Вселенной и равномерно «размажем» ее по всему пространству. И посмотрим, какая масса окажется в одном кубическом метре, т. е. определим среднюю плотность.

Теория относительности дает четкий критерий: если средняя плотность не больше девяти протонов - ядер атомов водорода, пространство незамкнуто и бесконечно; если десять или больше протонов, замкнуто и конечно.

Что говорит нам современная астрофизика о средней плотности материи во Вселенной? Существуют различные способы ее определения, и они приводят к разным результатам. Но во всех случаях плотность получается ниже критической. Таким образом, с точки зрения современных астрофизических данных мы живем в бесконечной незамкнутой Вселенной.

Однако вопрос обстоит значительно сложнее. Прежде всего надо иметь в виду, что нам, возможно, известны не все формы существования материи, а открытие новых форм может изменить значение средней плотности материи.

Но если бы даже удалось определить среднюю плотность совершенно точно, вопрос о конечности или бесконечности Вселенной не был бы решен окончательно. Дело в том, что его, видимо, и нельзя решить окончательно в том смысле, в каком мы решаем многие другие вопросы науки, т. е. получить четкий ответ типа «да» или «нет».

Теория относительности вскрыла относительный характер ряда физических величин, казавшихся до этого абсолютными и неизменными. Несколько лет тому назад московскому астроному А. Зельманову удалось доказать, что относительным является и свойство пространства быть конечным или бесконечным. Пространство Вселенной, конечное и замкнутое в одной системе отсчета, может быть в то же самое время бесконечным и незамкнутым в другой.

Таким образом, мы встретились с не совсем обычной и в то же время поучительной ситуацией, которая показывает, что природа значительно сложнее наших формально-логических представлений о ней, что ее свойства и явления обладают диалектическим характером.

Загадочные ядра галактик

За последние десятилетия астрономы обнаружили во Вселенной ряд нестационарных объектов, где протекают бурные физические процессы и за сравнительно короткие промежутки времени происходят весьма существенные качественные изменения.

Начало этим исследованиям было положено открытием в 1962 г. так называемых радиогалактик, т. е. галактик, радиоизлучение которых во много раз сильнее теплового радиоизлучения, присущего любому космическому объекту, температура которого выше температуры абсолютного нуля. В качестве наиболее яркого примера можно привести двойную радиогалактику в созвездии Лебедь (радиоисточник Лебедь А). Хотя эта космическая «радиостанция» находится от нас на огромном расстоянии около 600 миллионов световых лет, ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как и радиоизлучение спокойного Солнца. А ведь расстояние до Солнца составляет около восьми световых минут, т. е. в 400 миллиардов раз меньше!

Для того чтобы работала любая радиостанция, в том числе и природная, ее надо питать энергией. Каковы же те энергетические источники, которые способны на протяжении миллионов лет обеспечивать мощное радиоизлучение радиогалактик?

В последние годы накапливается все больше фактов, свидетельствующих о том, что эта энергия вырабатывается в результате бурных физических процессов, протекающих в ядрах галактик - сгущениях материи, расположенных в центральных частях многих звездных островов Вселенной.

Несомненные признаки активности проявляет, например, ядро нашей собственной Галактики. Как показали радионаблюдения, оно непрерывно выбрасывает водород в количестве, достигающем полутора солнечных масс в год.

Если принять во внимание, что возраст нашей Галактики составляет около 15–17 миллиардов лет, то получится, что из ее ядра было выброшено около 25 миллиардов солнечных масс, что составляет уже около одной восьмой части массы всей Галактики.

При этом явления, которые мы наблюдаем в ядре нашей звездной системы в настоящее время, представляют собой скорее всего лишь слабые отголоски былых, гораздо более бурных процессов, происходивших в ту эпоху, когда наша Галактика была моложе и богаче энергией. Во всяком случае, известны галактики, ядра которых ведут себя значительно активнее, а у некоторых звездных систем эта активность приобретает даже взрывной характер. Например, в ядре галактики М-82, судя по всему, несколько миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого было выброшено колоссальное количество газа. И сейчас эти газовые массы с огромной скоростью мчатся от центра Галактики к ее окраинам.

Астрофизики подсчитали, что кинетическая энергия взрыва в М-82 составляет около 3"1052 Дж. Чтобы сделать это число более ощутимым, достаточно сказать, что для получения такой энергии надо было бы взорвать термоядерный заряд с массой, равной массе 15 тысяч солнц…

Эти и другие подобные факты указывают на то, что ядра галактик, видимо, не только являются мощными источниками энергии, но и оказывают весьма существенное влияние на развитие звездных систем.

Еще более грандиозными источниками энергии оказались знакомые нам квазары, открытые в 1963 г. и расположенные на очень больших расстояниях от нашей Галактики, вблизи границ наблюдаемой Вселенной.

По своим размерам квазары не идут ни в какое сравнение с галактиками. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что поперечники их ядер составляют от нескольких световых недель до нескольких световых месяцев, в то время как поперечник нашей Галактики равен 100 тысячам световых лет. Однако полная энергия излучения квазаров примерно в сто раз превосходит энергию излучения самых гигантских известных нам галактик.

Более того, сейчас почти не остается никаких сомнений в том, что окружающая нас Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва и последующего расширения компактного сгустка сверхплотной горячей плазмы.

Все эти открытия показали, что во Вселенной происходят сложнейшие физические процессы, связанные с необратимыми изменениями космических объектов, исключающими возможность возврата к прежним состояниям. И подобные изменения совершаются не только медленно и постепенно, но и за сравнительно короткие промежутки времени, скачкообразно.

Таким образом, исследования последних десятилетий привели ученых к заключению, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна резкая нестационарность, которая выражается во взрывных явлениях, дезинтеграции, рассеянии и т. п. Подобные процессы связаны с образованием новых космических объектов, их превращениями, а также переходами материи из одного физического состояния в другое,

«…Развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное, - писал В. И. Ленин, - „перерывы постепенности“; превращение количества в качество;…взаимозависимость и теснейшая, неразрывная связь всех сторон каждого явления;…связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, - таковы некоторые черты диалектики…» [Ленин В. И, Карл Маркс, - Пола, собр. соч., т. 26, с. 55. 135].

Открытие нестационарных процессов во Вселенной убедительно подтверждает, что диалектический характер присущ не только процессу научного познания, но и самой природе.

Если с этой точки зрения взглянуть на нестационарные явления в космосе, станет ясно, что они представляют собой «поворотные пункты» в развитии космических объектов, где совершаются переходы материи из одного качественного состояния в другое, возникают новые небесные тела.

Стало ясно: представления классической науки о стационарном характере большинства космических процессов в действительности оказались лишь одним из первых приближений к истинной картине мира, приближением, возможности которого были ограничены как уровнем развития методов исследования, так и общим состоянием естествознания,

С другой стороны, надо отметить, что найти удовлетворительное объяснение природы нестационарных явлений во Вселенной в рамках современных фундаментальных физических теорий пока не-удается. С точки зрения этих теорий такие явления представляются весьма необычными, в высшей степени «диковинными».

Удастся ли объяснить их с точки прения существующих фундаментальных физических теорий или для этого потребуются совершенно новые идеи?

Одна из таких идей была выдвинута известным советским астрофизиком академиком В. А. Амбарцумяном. Согласно гипотезе Амбарцумяна, в ядрах галактик присутствуют сверхплотные сгустки «дозвездной» материи.

Весьма возможно, что эти сгустки непосредственно связаны с тем «первоначальным», сверхплотным веществом, в результате распада которого возникла Метагалактика. Не исключено, что в процессе взрыва и расширения «первоначальное» вещество прореагировало не все сразу.

Часть сгустков по тем или иным причинам могла на длительное время сохраниться в устойчивом состоянии; их последующий распад, возможно, и приводит к тем энергетическим «всплескам», которые происходят во Вселенной.

Но что может представлять собой сверхплотная дозвездная материя? Какова ее физическая природа? К сожалению, в настоящее время для сколько-нибудь обоснованного ответа на этот вопрос в нашем распоряжении слишком мало данных.

Складывается впечатление, что свойства дозвездной материи, если она действительно существует, столь необычны, что вряд ли их удастся описать с помощью известных физических теорий. Очень может быть, что здесь действуют какие-то физические закономерности, еще неизвестные современной науке.

Впрочем, с подобным выводом соглашаются далеко не все современные физики и астрофизики.

Вполне возможно, что объяснение гигантских космических энергий будет получено на совсем иных путях.

Термояд или…?

Проблема космических энергий связана не только с активными явлениями в ядрах галактик и квазарами, но и с отрицательными результатами нейтринных наблюдений Солнца.

Американский физик Р. Денис создал весьма чувствительную установку для регистрации солнечных нейтрино, Наблюдения проводились в течение длительного времени и принесли весьма неожиданный результат. Оказалось, что поток солнечных нейтрино по крайней мере в шесть раз меньше, чем это следует из существующей теории, основанной на предположении о термоядерной природе источников солнечной и звездной энергии.

О необходимости серьезной проверки этой теории говорят и некоторые другие результаты исследований Солнца, выполненных в последнее время.

Несколько лет назад на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР был создан высокочувствительный прибор для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей на Солнце - солнечный магнитограф. Наблюдения, проведенные с помощью этого прибора, позволили обнаружить весьма интересный факт. Оказалось, что солнечная поверхность ритмично пульсирует с периодом около 2 час. 40 мин., поднимаясь при каждой пульсации на высоту около 20 км.

Как считает академик В. А. Амбарцумян, открытие крымских астрономов имеет первостепенное значение.

Оно не только свидетельствует о качественно новом процессе на Солнце, но и должно дать важную информацию о внутреннем строении нашего дневного светила. Как показывают теоретические расчеты, значение периода пульсации Солнца непосредственно связано с его внутренним строением. Периоду, равному 2 час. 40 мин., соответствует более однородное распределение плотности и температуры, а также более низкие значения этих физических величин для центральной части дневного светила, чем это следует из современной теории строения Солнца. В частности, температура в центре Солнца в этом случае должна составлять не 15 миллионов градусов, а всего 6,5 миллионов.

Но при таких физических условиях термоядерная реакция не может обеспечить наблюдаемого выхода солнечной энергии.

Есть и еще одно независимое соображение, ставящее под сомнение справедливость термоядерной гипотезы. Дело в том, что в атмосфере Солнца (как и в атмосферах других подобных ему звезд) в значительных количествах присутствуют литий и бериллий. Но в случае термоядерных реакций эти элементы должны были бы давно «выгореть».

В последнее время вывод о пульсации Солнца, полученный крымскими астрофизиками под руководством академика А. Н, Северного, нашел подтверждение и в работах английских астрономов, проводивших наблюдения на известной французской обсерватории Цик дю Мюди.

Были предприняты и первые попытки объяснить это явление. Так, ученые Кембриджского университета (Англия) высказали предположение, что в центральной части Солнца содержится в два раза больше тяжелых элементов, чем предполагалось ранее. Однако подобная гипотеза неизбежно ведет к кардинальному пересмотру современных физических представлений о строении Солнца и звезд.

Дальнейшая проверка термоядерной гипотезы связана прежде всего с осуществлением новых нейтринных наблюдений дневного светила. Не исключена возможность, что нейтрино от Солнца все-таки летят, но их энергия ниже того порогового значения, на которое была рассчитана установка Девиса.

В связи с этим советские физики работают над созданием более чувствительных детекторов для регистрации нейтрино - на гелии и литии. Предполагается, что с помощью таких детекторов, которые будут установлены в подземной лаборатории, в недалеком будущем удастся осуществить новую, более точную проверку интенсивности потока солнечных нейтрино и тем самым установить, действительно ли термоядерная гипотеза нуждается в коренном пересмотре.

Интересна оценка, которую дает новым результатам исследования Солнца академик В.А.Амбарцумян.

Вопрос. Можно ли считать результаты, полученные академиком Северным, а также отрицательный результат нейтринных наблюдений Солнца неожиданными, поскольку они противоречат общепринятой гипотезе о термоядерном источнике внутрисолнечной и внутризвездной энергии?

Амбарцумян. Необходимо понять, что существующие теоретические модели являются настолько ориентировочными, что не выдерживают точных количественных сравнений, когда речь идет о новых явлениях.

Вопрос. Следовательно, когда речь идет о явлениях, изученных еще недостаточно, наблюдения важнее теоретических разработок?

Амбарцумян. Астрономия - наука прежде всего наблюдательная. Одно наблюдательное открытие такого рода, какое выполнено в Крыму, стоит больше тысячи неудачных теоретических работ, не имеющих под собой точной количественной основы. Будучи сам теоретиком, я решаюсь высказать это мнение откровенно.

Гравитационный коллапс и «черные дыры»

Вернемся к вопросу о геометрических свойствах Вселенной. Как мы уже знаем, они тесно связаны с характером распределения материи.

Представим себе, что Вселенная однородна и изотропна. Что это значит? Разобьем мысленно Вселенную на множество областей, каждая из которых содержит - достаточно большое количество галактик. Тогда однородность и изотропность означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы, для всех таких областей в по всем направлениям. Важнейшим свойством однородной и изотропной Вселенной является ее постоянная кривизна во всех точках пространства.

Однако в реальной Вселенной, особенно если рассматривать сравнительно небольшие ее области, материя распределена неравномерно. Ее концентрация различна для различных районов, а следовательно, различна и соответствующая кривизна. Она может быть меньше средней для всего пространства, а может и значительно ее превосходить.

В свое время известный американский физик Р. Оппенгеймер (1904–1967) рассмотрел, исходя из общей теории относительности Эйнштейна, любопытную возможность.

Если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то наступает беспрецедентная катастрофа - гравитационный коллапс катастрофическое стягивание вещества в точку, где плотность в принципе может достигать бесконечной величины.

В процессе сжатия величина поля тяготения на поверхности коллапсирующего объекта растет, и наступает момент, когда ни одна частица, ни один луч света не может преодолеть огромного притяжения и вырваться изнутри подобного образования наружу. Для этого надо было бы развить скорость, превосходящую скорость света, а это совершенно невозможно, так как скорость света - это максимальная скорость распространения каких бы то ни было реальных физических процессов в природе.

Таким образом, пространство сколлапсированного объекта как бы захлопывается, и для внешнего наблюдателя он фактически перестает существовать. Образуется так называемая «черная дыра»…

Впрочем, это было лишь чисто теоретическое исследование, проведенное, так сказать, впрок, по принципу, нередко применяемому физиками-теоретиками: если «то», то «это». Иными словами, рассматривается некоторая в принципе возможная воображаемая ситуация и выясняется, к каким следствиям она может привести.

Но в том-то и состоит сила научной теории, что очень часто в процессе дальнейшего развития естествознания воображаемая ситуация оказывается вполне реальной, и тогда заблаговременно, проведенное теоретическое исследование сразу приобретает практический интерес.

Так произошло и с предсказанием относительно существования «черных дыр». За последние годы в глубинах Вселенной был открыт целый ряд явлений, свидетельствующих о возможности концентрации огромных масс вещества в сравнительно небольших областях пространства.

В связи с этим астрофизики вспомнили о теории гравитационного коллапса. Дальнейшее развитие этой теории привело ученых к выводу, что «черные дыры» могут возникать на заключительных этапах жизни массивных звезд, масса которых в 3–5 раз превосходит массу Солнца. После того как источники энергии в недрах подобной звезды исчерпаются, она под действием собственного тяготения начинает сжиматься и превращаться в «черную дыру». Возможно, что «черные дыры» могут возникать во Вселенной и при иных обстоятельствах. Разумеется, для того чтобы убедиться в реальном существовании подобных объектов, одних только теоретических выкладок еще недостаточно. Необходимо обнаружить во Вселенной хотя бы одну реальную «черную дыру».

Однако задача эта весьма сложная. Одиночную «черную дыру» зарегистрировать невозможно: она ничем себя не проявляет. Поэтому возникла идея поиска «черных дыр» в системах двойных звезд. Около половины всех звезд нашей Галактики - это тесные двойные системы, где две звезды обращаются вокруг общего центра масс, причем довольно часто на очень близком расстоянии одна от другой.

Есть двойные системы, в которых одна звезда светит, а другая темная. Если масса темной звезды в 3–5 раз превосходит солнечную, то можно предполагать, что это погасшая звезда, которая после исчерпания внутренней энергии сжалась до стадии «черной дыры». Согласно расчетам советского ученого Р. Сюняева, при этом должен наблюдаться любопытный физический процесс. Если центральным компонентом в двойной системе является достаточно массивная звезда, то, как все подобные звезды, она должна выбрасывать большое количество газа, который будет засасываться в «черную дыру». Но газовые частицы попадают туда не прямым путем, а, так как вся система вращается, движутся вокруг «черной дыры» по спиралевидным траекториям и лишь постепенно приближаясь на критическое расстояние. Вокруг «черной дыры» образуется газовый диск. Вследствие трения газ разогревается до очень высоких температур, при которых возникает и интенсивное рентгеновское излучение.

В 1974 г. был обнаружен объект, как будто бы отвечающий всем указанным требованиям. Он расположен в созвездии Лебедя и получил наименование «Лебедь Х-1».

Это - двойная звезда. Ее светящийся компонент имеет массу, равную двадцати восьми массам Солнца, темный - десяти. Из этой области идет интенсивное рентгеновское излучение. Есть довольно веские основания предполагать, что указанный объект- «черная дыра».

Однако стопроцентной уверенности в этом пока еще нет. В астрофизике всегда приходится считаться с тем, что обнаруженные нами внешние физические проявления какого-то объекта теоретически могут соответствовать ожидаемым, но порождаться иной причиной. И чтобы окончательно убедиться в том, что «Лебедь Х-1» действительно «черная дыра», необходимы дополнительные разнообразные наблюдения.

Впрочем, во Вселенной имеется немало и других объектов, относительно которых существуют «подозрения», что они относятся к разряду «черных дыр». В какой, однако, мере эти подозрения обоснованы, покажет будущее.

Но если «черные дыры» действительно существуют, то свойства этих объектов весьма необычны. Они, бесспорно, являются достойными представителями «все более странного мира».

Прежде всего нелегко представить себе, каким образом гигантская масса может стянуться в геометрическую точку. Но мало этого…

Вообразим ситуацию, которую нередко рисуют авторы фантастических произведений. Путешественник на космическом корабле неосторожно приблизился к «черной дыре», и его затянуло в роковую бездну. Падая вместе с веществом, наш путешественник в какой-то момент пересечет ту критическую черту, из-за которой не может быть возврата, и устремится к центру «черной дыры». Что с ним произойдет дальше? Попробуем проследить его судьбу.

Приближаясь вместе с коллапсирующим веществом к центру «черной дыры», наш воображаемый наблюдатель обнаружит, что плотность и кривизна стремятся к бесконечности. Что это значит, мы даже представить себе не можем, поскольку наши современные физические теории к подобным состояниям заведомо неприменимы.

Однако есть одна любопытная гипотеза, согласно которой сжатие коллапсирующего вещества в какой-то момент затормозится, и до предела спрессованная материя вновь начнет расширяться.

Разумеется, реальный наблюдатель, попав в «черную дыру», был бы мгновенно скручен и разорван на атомы.

Но допустим, что воображаемый наблюдатель переживет чудовищное уплотнение и прочие «неприятности» и дождется начала обратного расширения. Продолжая двигаться с разлетающимся веществом, он еще раз, теперь уже в обратном направлении, пересечет критическую сферу и вновь окажется в «свободном» пространстве.

Но тут он столкнется с поразительной неожиданностью: это будет не то пространство, из которого он попал в «черную дыру», а пространство, расположенное по отношению к пространству нашей Вселенной в абсолютном будущем. В переводе на более понятный язык, это означает, что, сколько бы мы ни жили в нашем пространстве, в «то» пространство мы никогда не попадем, - только через «черную дыру», ибо смежное пространство, в которое она ведет, возникает, судя по всему, вместе с ее образованием. А обратного хода и вообще не существует.

Если все это действительно так, то «черные дыры» - не что иное, как входные отверстия сквозных тоннелей, соединяющих нашу Вселенную со смежными пространствами, своеобразные стоки, через которые вещество из нашего пространства перегоняется в соседние.

Напрашивается заманчивая возможность сопоставить с этим явлением те бурные выбросы вещества и энергии, которые мы наблюдаем в таких космических объектах, как квазары и ядра галактик. Не связаны ли квазары и ядра галактик с выходными отверстиями «черных дыр», расположенных в смежных вселенных?!

Вспоминается высказывание известного английского астрофизика Джемса Джинса, еще в 1928 г. предположившего, что центры галактик - это «особые точки», где материя втекает в наш мир из некоторого другого, совершенно постороннего пространства.

Не исключена также возможность, что по «тоннелям», связывающим различные миры, проникает не только материя, но и какие-то пока еще неизвестные нам воздействия, которые могут оказывать влияние на многие явления, происходящие в нашей Вселенной.

Однако эта заманчивая идея наталкивается на довольно простое возражение. В самом деле, если смежное пространство, связанное с «черной дырой», образуется лишь в момент ее возникновения, то во всей Вселенной может существовать лишь одно-единственное отверстие, соединяющее нас с той именно «черной дырой», которая-и породила наше пространство. Между тем квазары и активные ядра галактик мы наблюдаем в достаточно большом числе…

Но, может быть, все обстоит значительно сложнее, чем нам представляется? - До недавнего времени мы были убеждены в том, что наше пространство односвязно. Это значит, что во Вселенной нет оторванных друг от друга кусков, разделенных непреодолимыми «пропастями». Наличие «черных дыр» ставит односвязность мирового пространства под сомнение. А может быть, его геометрия еще запутаннее и возможны многочисленные причудливые переплетения смежных пространств, соединенных друг о другом через горловины, берущие свое начало в «черных дырах»?

Взгляд в будущее

Главные трудности на горизонте современной астрофизики связаны с открытыми во Вселенной нестационарными явлениями.

Исследования последних десятилетий показали, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна, как мы уже знаем, резкая нестационарность.

В. И. Ленин неоднократно подчеркивал, что все явления в мире выступают как единство (тождество) противоположностей. Это означает «признание (открытие) - противоречивых, взаимоисключающих, противоположных тенденций во всех явлениях и процессах природы…» [Ленин В, И, Пола. собр. соч., т. 29, с. 317].

Каждая из противоречивых сторон единого целого способна превращаться в свою противоположность; противоположности переходят друг в друга; взаимодействие, борьба противоположностей и есть источник развития.

В этом - ключ и к пониманию природы нестационарных объектов. Подобные объекты - это закономерные фазы эволюции космических объектов, поворотные пункты в развитии космических тел и их систем, связанные с переходами из одного физического состояния в другое.

Хотя удовлетворительно объяснить природу нестационарных явлений в рамках существующих представлений пока что не удается, нельзя отрицать, что законы и теории современной физики применимы к огромному диапазону условий и явлений. Но в то же время нельзя и абсолютизировать современную систему знаний о мире, представляющую собой лишь определенный этап в познании Вселенной. Эта система знаний лишь приблизительно и неполно отражает бесконечное многообразие мировых явлений и процессов, и она не только может, но и должна подвергаться уточнениям, обобщениям и дополнениям.

Уместно привести слова, сказанные по этому поводу известным советским ученым академиком АН Эстонской ССР Г. Н. Нааном: «На любом уровне развития цивилизации наши знания будут представлять лишь конечный островок в бесконечном океане непознанного, неизвестного, неизведанного. Всегда будут неразрешенные проблемы и неоткрытые законы, а каждая решенная проблема будет вызывать к жизни еще одну или несколько новых. Путь познания-дорога без финиша!»

Можно ли реально ожидать от современной астрофизики каких-либо сверхфундаментальных открытий?

В принципе это возможно. Но обнаружение новых законов природы может произойти лишь при изучении необычных физических условий и состояний материи. Возможно, одним из таких состояний является состояние сверхвысокой плотности в начале расширения Вселенной, в «черных дырах», а быть может, и внутри так называемых нейтронных звезд, обладающих чудовищной плотностью - миллионы и миллиарды тонн на кубический сантиметр. Во всяком случае законов, действующих в подобных условиях, мы пока не знаем. Так, есть предположение, что существует некая «элементарная длина», которая проявляет себя лишь в сверхплотных состояниях. И не исключено, что именно астрофизические исследования помогут ее обнаружить.

Ряд крупнейших современных ученых, таких как Ф. Хойл и Л. Бербидж, академик В. А. Амбарцумян, считают, что существующая физика явно недостаточна для объяснения явлений, происходящих в ядрах галактик и квазарах.

«Попытки описать их в рамках известных сейчас фундаментальных физических теорий, - пишет В. А. Амбарцумян, - встречаются с огромными, возможно, непреодолимыми трудностями. Я считаю, что именно от-астрономии следует уже в недалеком будущем ожидать выявления новых фактов, которые потребуют формулировки новых физических теорий, более общих, чем известные сейчас».

Однако, как отмечает известный советский физик-теоретик академик В. Л. Гинзбург, убедительный ответ на вопросы, о которых идет речь, не может быть получен с помощью одних только рассуждений и дискуссий - он будет дан лишь самой жизнью, т, е. последующим развитием науки.

В настоящее время поток информации о физических явлениях в космосе растет с каждым днем, в особенности благодаря освоению астрофизиками рентгеновского и гамма-диапазона электромагнитных волн.

Обнаружен ряд весьма интересных источников рентгеновского излучения, зарегистрированы загадочные мощные вспышки гамма-излучения. Дальнейшее изучение этих и других физических явлений в космосе будет способствовать углублению и расширению наших знаний о Вселенной.

Микромир и мегакосмос

То, что современная физика явно не завершена, что существующая физическая теория сталкивается с глубокими и серьезными трудностями и не дает ответа на ряд фундаментальных вопросов, признают и сами физики. Значит, вопрос сводится лишь к тому, откуда придут новые факты, необходимые, чтобы совершить очередной фундаментальный шаг вперед в познании закономерностей физических процессов. Будут эти факты получены в результате изучения Вселенной или добыты в области исследования микропроцессов?

На первый взгляд может показаться, что, несмотря на довольно тесное сотрудничество, астрономию и физику должны интересовать прямо противоположные задачи.

Для астрономов - это выяснение поведения объектов и процессов большого масштаба, раскрытие закономерностей мегакосмоса, который характеризуется колоссальным расстоянием - до 1028 см и огромными промежутками времени до 1017 с. Наоборот, физики занимаются изучением элементарных частиц и явлений, закономерностей микромира, проникая в ультрамалые субатомные пространственно-временные области, вплоть до 10~15 см и до 10–27 с.

Однако было бы неверно думать, что задачи, о которых идет речь, исключают друг друга, что между ними нет ничего общего. Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы называем Вселенной.

Какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. С другой стороны, многие микропроцессы являются отражением космических явлении, охватывающих колоссальные области пространства.

Необходимость совместного изучения микромира и мегакосмоса, исследования глубоких связей между микроявлениями и мегапроцессами диктуется еще и тем обстоятельством, что в том мире, в котором мы живем, в макромире, свойства «большого» и «малого» скрещиваются, словно лучи прожектора,

Ведь и мы сами, и все окружающие нас объекты состоим из элементарных частиц, и в то же время мы являемся частью мегакосмоса.

Как мы уже отмечали, современная физика микромира проникла в области явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10~15 см, а астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 1028 см. Сорок три десятичных порядка! Таковы масштабы того пространственного материала, в пределах которого современная наука имеет возможность получать информацию о природных процессах.

При этом обнаруживается знаменательный факт - физические законы, действующие на разных участках этой шкалы, даже на противоположных ее концах нигде не вступают в противоречия друг с другом.

Это обстоятельство, с одной стороны, служит весьма убедительным свидетельством в пользу справедливости одного из важнейших положений материалистической диалектики о всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы, а с другой - говорит о том, что наши научные теории верно отражают свойства реального мира.

Более того, можно предполагать, что в недрах некоторых космических объектов, таких, например, как квазары или ядра галактик, существуют физические условия, при которых области микро- и мегапроцессов как бы сливаются. Здесь достигаются столь большие плотности материи, что силы тяготения становятся сравнимыми с электромагнитными и ядерными силами, действующими в микромире. По выражению известного советского физика-теоретика Я, А. Смородинового, природа предстает здесь перед нами в своем самом сложном варианте. А это значит, что, видимо, именно здесь запрятаны ключи к выяснению астрофизической истории Вселенной.

Основа - вакуум

Поскольку, с одной стороны, все вещественные космические объекты, будь то звезды или галактики, планеты или туманности, состоят из элементарных частиц, а с другой - Вселенная нестационарна и ее прошлое нетождественно ее настоящему, то естественно возникает вопрос о том, всегда ли элементарные частицы существовали в том же виде; в каком они существуют в нашу эпоху,

Согласно одной из обсуждаемых в современном естествознании гипотез, состоянием Вселенной, предшествовавшим образованию начального сгустка горячей плазмы, в результате расширения которого образовалась Метагалактика, был вакуум.

В свое время считалось, что вакуум - это просто ничто, пустота, пространство, полностью лишенное материи, своеобразная арена, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы.

Но этим, на первый взгляд таким естественным, само собой разумеющимся представлениям суждено было со временем претерпеть весьма серьезные изменения. Сначала выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии М. Фарадей (1791–1867) утверждал, что «материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею».

Любая область пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-то другими видами материи - различными излучениями и полями (например, магнитными полями, полями тяготения и т. п.).

Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось гигантским вместилищем, содержащим бесчисленное количество материальных объектов. Однако в дальнейшем выяснились более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, изгнать из нее все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае осталось бы «нечто», определенный запас энергии, который у вакуума нельзя отобрать никакими способами.

Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц.

Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот (электромагнитный вакуум).

Таким образом, каждого из нас непрестанно пронизывает поток, состоящий из бесчисленного множества самых разнообразных частиц. Но так как эти частицы летят «и» всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем, как не ощущаем колоссального давления столба атмосферного воздуха, так как оно уравновешивается давлением воздуха изнутри организма человека.

Несмотря на всю свою кажущуюся неправдоподобность, представление о нулевых колебаниях вакуума отнюдь не эффектная физико-математическая конструкции.

В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц почему-либо нарушается и в каком-то направлении таких частиц движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания вакуума начинают себя проявлять. При атом должны возникать специфические эффекты, и некоторые из них удалось экспериментально зарегистрировать…

Итак, вакуум способен при определенных условиях рождать частицы, и не исключено, что именно вакуум породил те частицы, из которых впоследствии сформировалась Метагалактика.

Согласно некоторым теоретическим предположениям, окружающее нас пространство на чрезвычайно малых расстояниях обладает необыкновенно сложной мелкозернистой структурой с фантастической плотностью энергии.

В каждом кубическом микрометре этой среды содержится такое количество энергии, которого вполне достаточно для образования многих триллионов галактик.

Таким образом, само пространство, окружающее пас, представляет собой практически бездонный источник энергии. Но эта энергия «запечатана» мощными силами тяготения. Однако для самой природы этот гравитационный барьер, по-видимому, не является непреодолимым препятствием. Как уже было упомянуто, вакуум способен порождать вещественные частицы. И вполне возможно, что вес те могучие энергетические всплески, которые мы наблюдаем во Вселенной, представляют собой результат таких взаимодействий вещества, излучения и вакуума, при которых из вакуума черпается энергия.

Но если так, то нет ничего невозможного в том, что секретом извлечения энергии из вакуума овладеет и наука и тем самым на вечные времена избавит человечество от заботы об энергетических ресурсах.

Большое и малое

Изучение «черных дыр» приводит нас к еще одному несколько неожиданному и экзотическому выводу о возможной связи микро- и мегаявлений.

Как и всякий объект, имеющий некоторую массу, «черная дыра» обладает определенным полем тяготения. Но поскольку из «черной дыры» не может «вырваться» наружу ни один физический сигнал, это поле носит статический характер.

Если «черная дыра» к тому же обладает электрическим зарядом, то ее электромагнитное поле тоже должно быть статическим. При этом теория показывает, что оба эти поля практически не зависят от того, каким образом заряд и масса распределены внутри «черной дыры». Если в момент образования «черной дыры» это распределение было неоднородно, то любые неоднородности в дальнейшем очень быстро сглаживаются.

Таким образом, для внешнего наблюдателя «черная дыра», в сущности, выглядит как точечный объект, обладающий определенными массой и зарядом. Если «черная дыра» к тому же вращается, то ей можно приписать еще одну характеристику - так называемый спин.

Тем самым возникает очевидная аналогия с элементарной частицей, для которой масса, заряд и спин также служат основными физическими характеристиками.

Разумеется, на данном уровне наших знаний трудно сказать, что это только чисто внешнее сходство или отражение каких-то неизвестных нам глубинных зависимостей между микро- и мегакосмосом, но факт этот, бесспорно, заслуживает внимания. Тем более что несколько лет назад известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым была предпринята интересная попытка. В ряде работ он показал, что даже в рамках современных физических теорий целая Вселенная при определенных условиях может со стороны казаться внешнему наблюдателю элементарной частицей, скажем протоном или нейтроном.

Но являются ли в таком случае вообще все наблюдаемые нами частицы гигантскими Вселенными? Вселенными, которые проявляют себя в нашем мире как элементарные частицы? Иными словами, и в мегамире, как и в микромире, в принципе меньшее может состоять из большего…

Как подобраться к точке?

Если во Вселенной действительно много «черных дыр», то это означает, что в мировом пространстве имеется значительное количество точек, в которых плотность приобретает бесконечную величину. Такие точки называют сингулярными.

Интерес к сингулярности объясняется еще и тем обстоятельством, что, согласно теории расширяющейся Вселенной, она тоже «произошла» из сингулярности, грубо говоря, из точки. И каковы бы ни были различные варианты космологических моделей, устранить из них начальную сингулярность не удается. История Вселенной должна была либо начаться, либо периодически проходить через состояние точки с бесконечной плотностью, в которой любые объекты как бы прекращают свое существование.

Естественный вопрос: могут ли реальные физические величины обращаться в бесконечность?

Вообще говоря, бесконечности в физике могут быть не только «становящимися» или потенциальными, но и актуальными, т. е. «завершенными». В качестве примера актуальной бесконечности можно привести бесконечность пространства Вселенной, если она является незамкнутой.

Возникновение сингулярностей при гравитационном коллапсе вытекает из общей теории относительности. Однако к описанию физических процессов, происходящих вблизи сингулярных точек, современные физические теории, к сожалению, не применимы. Дело в том, что подобные состояния относятся не только к компетенции общей теории относительности. При больших плотностях должны возникать квантовые эффекты. А физической теории, которая объединила бы релятивистские и квантовые явления, пока что не существует.

В принципе не исключено, что поскольку общая теория относительности неприменима к описанию предсказанных ею же самой состояний с бесконечной плотностью массы в какой-то точке, то никаких сингулярностей вообще и не существует. Что касается их присутствия в теории, то это не что иное, как свидетельство неблагополучия, указание на то, что мы пытаемся применять общую теорию относительности за границами ее применимости. Но весь вопрос в том, где именно пролегают эти границы.

Идут споры о том, какой конкретно должна быть будущая общая физическая теория. Однако не вызывает сомнений необходимость четко выяснить границы применимости общей теории относительности в сильных гравитационных полях и вблизи сингулярностей.

По мнению многих крупных исследователей, построение квантовой гравитационной теории и квантовой космологии, которые работали бы при очень больших плотностях, а при плотностях умеренных переходили в обычную классическую теорию - в настоящее время является «задачей номер один» науки о Вселенной.

Проблема, о которой идет речь, самым тесным образом смыкается и с вопросом о физической природе нестационарных явлений, обнаруженных во Вселенной за последние годы. Речь идет о расширении звездных ассоциаций и скоплений галактик, активности ядер галактик и т. п.

И хотя в этих нестационарных явлениях мы прямо не сталкиваемся с сингулярностями, тем не менее большинство таких явлений связано с огромными концентрациями вещества и выделением колоссальных энергий.

Пока что удовлетворительно объяснить нестационарные явления в рамках современных физических теорий не удается. В принципе, возможны два пути. Быть может, с трудностями удастся справиться, объединив эйнштейновскую теорию гравитации с квантовой физикой. Но не исключено, что описать особые состояния материи во Вселенной (этой точки зрения придерживается академик В. А. Амбарцумян) можно, лишь допустив возможность нарушения известных законов физики в этих состояниях.

В таком случае потребуется не только расширение границ применимости общей теории относительности на область микропроцессов, но и существенное изменение или обобщение этой теории в области макропроцессов, т. е. в той области, где она сегодня применяется.

В сингулярном состоянии Вселенная фактически становится микрообъектом. Это обстоятельство еще раз свидетельствует о тесной связи между мегакосмосом и микромиром. И как подчеркивает ленинградский философ А. М. Мостепаненко, в связи с этим будущая теория элементарных частиц вряд ли может быть построена без учета космологических обстоятельств, с другой стороны, нельзя понять закономерности строения Вселенной, не учитывая свойств микрообъектов, из которых она в конечном счете состоит.

Поэтому руководящей идеей на пути создания квантовой теории гравитации должна стать идея воздействия микромира на мегамир. В этой связи большой интерес приобретают теоретические исследования эффекта рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электрических полях, в частности вблизи космологической сингулярности. Есть даже экзотическая гипотеза, по которой Вселенная, выйдя из «исходного» сингулярного состояния, поначалу вообще была пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума лишь в процессе ее дальнейшей эволюции.

Однако и в рамках такой гипотезы остаются существенные трудности, которые пока не удается преодолеть. Дело в том, что, согласно одному из фундаментальных законов физики, частицы могут рождаться только парами «частица» - «античастица».

Между тем, насколько сейчас известно, Вселенная в основном состоит из вещества. Очень может быть, что эффект рождения частиц из вакуума действует и в современной Вселенной в различных нестационарных процессах взрывного типа. Возможно, например, что электромагнитные поля некоторых космических объектов обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать рождение частиц. Но все эти проблемы требуют еще глубокого теоретического исследования.

Но одно ясно уже и сейчас. Какой бы ни стала будущая квантовая теория гравитации, она самым существенным образом изменит наши представления о пространстве-времени.

Необходимо также заметить следующее. Метод построения различных теоретических моделей является одним из весьма эффективных способов изучения Вселенной. Такими моделями являются, например, «Вселенная Фридмана» - теоретическая модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной или «Вселенная Зельманова» - модель неоднородной анизотропной Вселенной. В основе этих и других моделей лежат современные фундаментальные физические теории, прежде всего общая - теория относительности.

Однако всегда следует помнить, что модель - это еще не сама Вселенная, а только попытка отразить некоторые ее аспекты. Поэтому автоматически отождествлять выводы той или иной модели с реальностью было бы ошибочным.

Подтвердить справедливость той или иной модели могут только наблюдения. С другой стороны, даже самые экстравагантные теоретические построения заслуживают известного внимания, поскольку они могут вскрыть некоторые определенные свойства реального мира.

От элементарных частиц до Млечных путей

Взаимосвязь микро- и макропроцессов - одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.

Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся космические объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами.

Так, среди различных решений уравнений общей теории относительности, описывающих свойства и эволюцию Вселенной, как мы уже знаем, есть решение типа сингулярности (когда. в некоторой точке плотность достигает бесконечной величины). По существу, сингулярность - это некий аналог элементарной частицы. Вселенная в начальном сингулярном состоянии фактически превращается в элементарную частицу.

Возникает вопрос: нельзя ли с помощью уравнений общей теории относительности объяснить и некоторые свойства элементарных частиц, а наши знания о свойствах элементарных частиц использовать для выяснения физической сущности тех или иных явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной?

Одной из самых жгучих проблем современной астрофизики и естествознания вообще является проблема происхождения звезд и звездных островов-галактик.

На этот счет в современной астрофизике существуют две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной (ее обычно называют классической), космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи газа и пыли.

Другая концепция, развиваемая академиком В. А. Амбарцумяном и его школой и получившая название Бюраканской (по названию обсерватории), наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, «зародышами» звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.

В настоящее время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдать кому-либо из них окончательное предпочтение пока не представляется возможным. Это объясняется, с одной стороны, недостатком наблюдательных данных, с другой - возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов. В частности, никто никогда еще не наблюдал ни процесса сгущения диффузной материи в звезды, ни гипотетических сверхплотных тел.

В связи с этим известный советский астрофизик Б. А. Воронцов-Вельяминов не так давно высказал интересное предположение о том, что, быть может, в какой-то степени правы сторонники обеих точек зрения: не исключено, что в бесконечно разнообразной Вселенной совершаются как процессы концентрации материи, так и ее распада.

Интересная попытка построить космогоническую модель, которая в известной мере объединяла бы обе существующие концепции образования звезд и галактик, была предпринята советским физиком-теоретиком Р.Мурадяном.

Основная идея Мурадяна состоит в том, чтобы для выяснения физической сущности явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной, использовать некоторые свойства элементарных частиц.

В физике микромира на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на три класса: первый класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, второй - электрон и нейтрино, третий класс - адроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезоны-частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов.

Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты. Во всяком случае, современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.

Не являются ли в таком случае сверхплотные тела академика Амбарцумяна адронной формой существования материи? Подобная, на первый взгляд, весьма неожиданная идея, выдвинутая Р. Мурадяном, открывает интересные перспективы к построению единой теории образования космических объектов. Согласно новой гипотезе Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 1056 г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик.

Следующим этапом был распад на адроны с массами меньшими 1034 г. Это был своеобразный «фазовый переход» от адронной формы к ядерной. При этом возникли объекты типа нейтронных звезд. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения «протозвезды», а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой.

Однако если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда состоит из водорода и гелия, то в модели Мурадяна она может иметь различный химический состав в зависимости от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как сейчас принято считать, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это весьма важно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.

Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от «беспорядка» к «порядку», то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.

Нетрудно заметить, что в этой части эволюционная схема Мурадяна хорошо согласуется с идеями Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной она ближе к классической космогонии.

Разумеется, пока еще трудно говорить о том, в какой мере оригинальная модель Мурадяна соответствует реальной действительности, - разработка этой модели только начинается. Но новый подход к решению проблемы весьма интересен, поскольку сделана попытка объединить микроявления и космические процессы.

Как известно, одним из важных критериев справедливости той или иной теоретической модели служит ее способность предсказания определенных явлений. Если гипотеза Мурадяна верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она должна обладать собственным вращением, поскольку собственным вращением обладал исходный суперадрон. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то, во всяком случае, важным свидетельством в ее пользу.

Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели, в том числе и гипотеза Мурадяна, являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.

Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Все более совершенные и мощные средства астрономических исследований позволяют изучать все более удаленные космические объекты. Но, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.

Мир как он есть

Поскольку речь идет о строении и эволюции Вселенной, о научной картине мироздания, естественно возникает вопрос: почему мир такой, какой он есть? Именно такой, а не какой-нибудь другой?

Однако получить достаточно определенный ответ на таким образом поставленный вопрос вряд ли возможно.

Проблема сформулирована слишком расплывчато.

И видимо, не случайно, затрагивая ту же проблему, А. Л. Зельманов ограничился лишь утверждением о том, что Вселенная существует в том виде, в каком она есть, в силу внутренней необходимости.

Для того чтобы получить на интересующий нас вопрос исчерпывающий ответ, нам надо было бы выйти за рамки наблюдаемой Вселенной и охватить мир во всем его бесконечном разнообразии. А это, увы, невозможно как в принципе, так и по причинам чисто практическим,

Попробуем, однако, сузить задачу. Ограничить ее в такой мере, чтобы она приобрела реальный физический смысл. Очевидно, речь должна идти только о наблюдаемой Вселенной и тех ее свойствах, которые определяются известными нам закономерностями.

Что касается самого вопроса, на который мы хотим получить ответ, то он теперь будет выглядеть примерно таким образом: случайно ли то, что непосредственно окружающий нас мир обладает именно такими свойствами, а не какими-нибудь другими?

В подобной форме проблема становится вполне правомерной, поскольку именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.

Разобраться в этом необходимо еще и потому, что, как утверждают религиозные теоретики, стройность мироздания есть результат деятельности творца.

«Достаточно взглянуть на окружающую нас природу, - пишет русский православный священник Л. Гайдукевич. - Везде царит удивительный порядок. Каждое явление начиная с простейшей былинки и кончая мириадами звезд устроено целесообразно, разумно и совершенно. Все носит на себе печать постоянного попечения Вседержителя - Творца».

Прежде всего следует заметить, что определенную картину мира мы наблюдаем благодаря тому, что именно такая картина обеспечивает возможность жизни. Как остроумно заметил А. Л. Зельманов, мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей.

В частности, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем красное смещение в спектрах галактик. Взаимное удаление галактик и смещение их излучения в сторону длинных волн ослабляет энергию электромагнитных излучений, пронизывающих космическое пространство. Если бы галактики не разбегались, а сближались, в их спектрах наблюдалось бы не красное смещение, а фиолетовое - сдвиг в сторону высоких частот и жестких, коротковолновых излучений. Плотность излучения в такой Вселенной была бы столь высока, что исключала бы возможность существования биологической жизни…

Каковы наиболее распространенные формы тех космических объектов, которые нас окружают? Это звезды, пыль, газ. Что касается пыли и газа, то в газовых и пылевых туманностях сосредоточена значительная доля вещества Вселенной. Но это переходные формы.

Судя по всему, в современной Вселенной одной из наиболее устойчивых форм обособленных космических объектов является звездная форма. Случайно ли то, что в самых различных уголках наблюдаемой Вселенной материя концентрируется именно в звезды?

У известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли есть остроумный рассказ, в котором описывается, как некая космическая строительная фирма по заданию неких «заказчиков» создавала… Метагалактику. Разумеется, это шутка, и подобный прием понадобился писателю для того, чтобы выявить некоторые закономерности, своеобразные правила игры.

Вот в этих-то «правилах игры» - вся суть дела. Если у нас есть мяч и игроки, это еще далеко не все. С одним и тем же мячом можно играть в самые различные игры. Чтобы игра приобрела определенный смысл и характер, необходимо подчинить ее тем или иным правилам.

Поставим себя на место фантастических конструкторов Вселенной. Прежде чем приступить к ее созданию, нам пришлось бы пе только установить главные свойства ее основных элементов, но и разработать некий свод законов, определяющих поведение и взаимодействие всех без исключения материальных объектов.

Каковы же те законы, благодаря которым в реальной Вселенной преимущественным правом на существование пользуются именно звезды?

В живой природе, как известно, действует естественный отбор. Выживают только те организмы, которые наилучшим образом приспособлены к условиям внешней среды.

Похоже, что своеобразный естественный отбор действует и во Вселенной. В процессе движения материи могут возникать самые разнообразные объекты, но большинство из них оказываются неустойчивыми и быстро разрушаются.

И вместе с тем некоторые космические объекты, в основном звезды, почему-то являются достаточно устойчивыми и способными существовать довольно долго. Почему это так?

Видимо, дело в том, что во Вселенной действует некий «всеобщий регулятор». Есть соображение в пользу того, что этот регулятор - так называемая обратная связь.

В наше время, в эпоху бурного развития кибернетики, электроники и всевозможных автоматических процессов, этот термин широко известен. Обратная связь используется для управления полетом ракет, работой станков и механизмов, без нее не было бы радиоприемников и телевизоров и многого другого.

Если говорить просто, обратная связь - это корректировка тех или иных действий в зависимости от того эффекта, который они вызывают.

В кибернетике дается более точное определение. Представьте себе некую систему, скажем: автомобиль или самолет, мозг человека или космический корабль или, наконец, Солнце. Остановимся, к примеру, на самолете. Управляя самолетом, пилот переводит рычаги, нажимает те или иные кнопки это входные сигналы. И всякий раз самолет как-то реагирует на подобные действия: увеличивает или уменьшает скорость полета, набирает или теряет высоту, делает вираж или мертвую петлю. Это выходные сигналы. Обратная связь действует тогда, когда выходные сигналы влияют на входные, изменяя их соответствующим образом. Скажем, самолет чересчур круто теряет высоту, и пилот, заметив это, слегка берет штурвал на себя, уменьшая угол снижения.

Человек пользовался обратной связью задолго до того, как ученые сформулировали это понятие и стали применять его в различных технических системах. Предпринимая любое действие, мы не только обязательно учитываем его последствия, но и на ходу вносим необходимые поправки.

Нечто подобное происходит и в природе. Именно наличие обратной связи в целом ряде явлений окружающего мира и обеспечивает устойчивый, стабильный характер многих природных процессов. Простой пример: так называемый физический маятник. Всякое его отклонение от положения равновесия вызывает появление силы, которая возвращает маятник к этому положению.

Обратная связь проявляется не только в живой, но и в неживой природе. С саморегулирующимися системами мы встречаемся и в мире звезд, и в химических превращениях, и в электрических процессах - словом, чуть не на каждом шагу.

Характерный пример-наше Солнце.

Согласно современным физическим представлениям (которые, несмотря на неожиданные результаты нейтринных и некоторых других наблюдений, пока еще не отвергнуты и являются общепринятыми), могучая энергия нашего светила рождается в его глубоких недрах, где бурлит и клокочет термоядерная реакция. Человек, как известно, тоже овладел подобной реакцией и научился извлекать энергию, выделяющуюся при объединении ядер водорода в ядра гелия. Но пока что искусственная термоядерная реакция протекает мгновенно, а вся энергия выделяется в форме взрыва. Солнце же расходует энергию постепенно и неторопливо, поддерживая работу своей ядерной топки на строго определенном уровне.

Но как это - «поддерживая»? Ведь у Солнца нет ни собственного разума, ни «пульта управления», на котором работали бы какие-то разумные существа. Вот здесь-то мы и встречаемся с обратной связью и саморегулированием.

Судя по всему, термоядерный синтез водорода протекает в самой центральной области светила. Эта зона окружена со всех сторон чудовищными массами вещества. Могучее тяготение влечет их к центру Солнца, но этому препятствует колоссальное давление газов, рожденных в пламени термояда. Тем самым достигается относительное равновесие.

Но вот по какой-то причине интенсивность термоядерной реакции несколько падает. Тогда понижаются температура и давление, и под напором окружающего вещества зона реакции начинает сжиматься. Сжатие повышает давление и температуру, и реакция входит в норму. И наоборот, если почему-либо интенсивность синтеза возрастает, избыток энергии расширяет звезду. Расширение вызывает охлаждение центральной зоны, которое продолжается до тех пор, пока реакция не войдет в свою обычную колею.

Солнце - это частный случай, звезда, одна из конкретных форм существования материи. Но уже давно ученые подметили и некоторые общие закономерности - свидетельство того, что принцип обратной связи является одним из фундаментальных свойств мира.

Одна из таких закономерностей была найдена русским физиком Э. X. Ленцем (1804–1865) в электромагнитных явлениях. В школьных учебниках она излагается в виде «правила Ленца», которое имеет чисто практическое значение, - оно позволяет определять направление тока индукции. В действительности это один из случаев, иллюстрирующих принцип обратной связи. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитное поле которого в свою очередь противодействует изменениям, вызвавшим этот ток.

Подобные законы - некоторые из них, вероятно, предстоит еще открыть просматриваются во множестве других явлений. Именно обратной связью и естественным саморегулированием и объясняется отсутствие хаоса в природе, стройность мироздания.

Только тем космическим объектам, где действует обратная связь и осуществляется саморегулирование, обеспечено достаточно длительное существование. Нетрудно догадаться, что именно такие объекты будут встречаться чаще других. Вот и возможный ответ на заинтересовавший нас вопрос о том, почему так много звезд во Вселенной.

Но можно задать и такой вопрос: почему сами звезды именно такие, а не какие-нибудь другие? В связи с этим В. А. Амбарцумян высказал интересную мысль о том, что многие особенности строения Вселенной, в том числе и многие свойства звезд, как бы «заложены» в свойствах элементарных частиц. И если бы эти свойства были какими-либо иными, то и космические объекты выглядели бы иначе, чем в действительности.

Так, теория внутреннего строения звезд приходит к выводу, что предельно возможная масса звезды прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату массы ядра атома водорода - протона. Но этой формуле нетрудно рассчитать, что максимальная масса устойчивой звезды не может превосходить примерно 75 солнечных масс. Но это при-той массе, которой обладают протоны в нашем мире. А если бы масса протона была иной? Скажем, в сто раз меньшей? В таком мире могли бы существовать вполне устойчивые звезды с массами порядка десятков тысяч масс Солнца…

Но здесь неизбежно возникает следующий вопрос: почему протон имеет именно такую массу, а не какую-нибудь иную?

Ответ на этот и на другие подобные вопросы, которые потянутся один за другим, - дело будущего.

Современная картина мира и атеизм

Как мы уже отмечали, естествознание XIX столетия, в основе которого лежала классическая физика с ее абсолютной предопределенностью всех мировых событий, по существу, не оставляло места для какого бы то ни было божественного вмешательства.

Не случайно Лаплас в ответ на вопрос Наполеона о том, почему он нигде в своих научных трудах не упоминает о боге, ответил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе».

Революция в физике на рубеже XIX и XX столетий и все, что за ней последовало, убедительно показали неправомерность механистических представлений о мирозданье, разрушили стройную картину мира, выстроенную классической физикой.

Это обстоятельство дало повод современным религиозным теоретикам утверждать, что неклассическая физика XX столетия в отличие от классической будто бы не только допускает существование бога и сверхъестественных сил, но и дает этому убедительные подтверждения. «Новая физика уже одним своим появлением свидетельствует в пользу религиозных представлений. Физика ведет нас к вратам религии», - утверждает теоретик католицизма епископ О.Шпюльбек.

Да и некоторые деятели православной церкви, которая в общем-то предпочитает держаться подальше от сложностей современного естествознания, заняли примерно такую же позицию. Так, один из теоретиков православия архиепископ Лука прямо утверждал, что научные открытия начала XX столетия будто бы расшатали материалистические устои естествознания в пользу идеализма и религии.

Под впечатлением революционных преобразований в пауке сделали шаг в сторону религии и некоторые крупные естествоиспытатели. «Вероятно, можно сказать, - писал английский физик А. Эддингтон, - что заключение, которое можно вывести из… современной науки, таково, что религия впервые стала возможной для разумного ученого около 1927 г.».

Современные религиозные теоретики для оправдания религии пытаются использовать и то обстоятельство, что развитие естествознания в XX столетии привело ученых к выводу о бесконечном разнообразии природы и неисчерпаемости мира. Если мир неисчерпаем, заявляют они, в нем сохраняется место для бога.

В действительности ничего подобного не происходит.

Дело в том, что материализм классической физики был механическим, метафизическим материализмом, пытавшимся свести все мировые процессы к одной простейшей форме движения, исключавшим возможность качественных преобразований материи.

И новая, неклассическая физика XX столетия, а затем и астрофизика наносят удары не по материализму классической физики, а по ее претензиям на объяснение всего существующего с механических позиций. Неклассическая физика является не менее материалистической, чем классическая, но это материализм более высокого порядка - материализм диалектический.

И новая физика, и астрофизика отнюдь не нуждаются в гипотезе бога, они вскрывают естественную причинность и естественную закономерность всех явлений.

Ничего не меняет и то обстоятельство, что мир бесконечно разнообразен и неисчерпаем. Да, в процессе его изучения перед наукой возникают все более сложные проблемы. Но это закономерно - ведь задача науки и состоит в том, чтобы познавать более глубокую сущность явлений.

Закономерно и то, что в этом бесконечном процессе познания каждый новый шаг сопряжен с преодолением более серьезных трудностей.

Однако, как мы могли убедиться, наука всякий раз проходит пути их преодоления, раздвигая все дальше и дальше границы наших знаний.

Таким образом, и современное естествознание не дает абсолютно никаких оснований для пересмотра основного вопроса о материальном единстве мира.

Еще раз о революции в современной астрономии

Если рассматривать науку как социально обусловленную деятельность по производству знаний, то в развитии астрономии XX века можно выделить три этапа, каждый из которых характеризуется определенным отношением общества к науке о Вселенной.

В начале века некоторые разделы астрономии (астронавигация, измерение времени, геодезические измерения) рассматривались с чисто утилитарной точки зрения. А те разделы этой науки, которые являются основными, в частности астрофизика, на первый взгляд мало использовались в жизни общества. На астрофизические исследования смотрели лишь как на способ удовлетворения любознательности человека, желающего знать, в каком мире он живет, - Астрофизические исследования, осуществленные в то время, впоследствии нашли широкое применение в практике освоения космоса. Таким образом, и в ту эпоху астрономия была связана с практикой, но она моделировала будущую практику (практической наукой астрономия была даже во времена Коперника - и тогда она моделировала схемы будущей практики).

Исходными предпосылками астрономических исследований в начале XX столетия являлись: механическая картина мира, представления о Вселенной как части механической системы и о всемогуществе человека, который способен все исследовать и все узнать.

Революция в физике изменила связи между астрономией и обществом. Она создала такие предпосылки для дальнейшего развития науки о Вселенной, которых раньше не существовало. Изменения, которые произошли в системе знаний, открыли новые возможности для астрономической деятельности. Речь, в частности, идет о приложениях к изучению космических процессов общей теории относительности и квантовой механики.

Для первого этапа характерны два принципиальных достижения в науке о Вселенной: открытие расширения Вселенной (А. Фридман и Э. Хаббл - 20-е годы) и выдвижение идеи о закономерном характере нестационарных фаз в развитии космических объектов (В. А. Амбарцумян - 1934 г.). Правда, эта идея в то время еще не нашла воплощения в астрономических наблюдениях.

В целом астрофизика еще только начинала свой «бег».

Начало второго этапа революции в астрономии относится к периоду после второй мировой войны. Бурное развитие электроники, автоматики, радиотехники вызвало к жизни новые элементы деятельности, что привело к быстрому прогрессу астрофизики. Широкое развитие и убедительные подтверждения в астрономических наблюдениях получила идея Амбарцумяна о закономерности нестационарных этапов развития небесных тел. Астрофизика стала эволюционной наукой.

Анализ дальнейшего развития астрофизики показывает, что в последние годы в деятельности по производству астрономических знаний наступил новый этап - третий этап революции в астрономии.

Произошли революционные изменения в самом характере астрономической деятельности - астрономия стала всеволновой наукой. И поскольку это явилось результатом главным образом развития космической техники, то этап, о котором идет речь, можно с полным правом назвать космическим этапом.

В теоретическом отношении для этого этапа характерны попытки пересмотреть с новых позиций идею взрывающейся Вселенной, взглянуть на нее под иным углом зрения. Все больший размах приобретает тенденция рассматривать нестационарные явления во Вселенной не как процессы взрывного характера, а как проявления гравитационного коллапса, т. е. своеобразные антивзрывы. Таким образом, речь идет о направлении, по существу противоположном идее взрывающейся Вселенной.

Невольно возникает аналогия с ранними этапами развития астрономической науки. Система Птолемея пыталась объяснить строение мира, исходя из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной.

Коперник показал, что за этими видимыми движениями скрывается совсем иное явление - обращение Земли вокруг Солнца (т. е. мир не таков, каким мы его непосредственно наблюдаем).

Возникает закономерный вопрос: не является ли идея взрывов первой поверхностной стадией объяснения нестационарных явлений, а отрицающая ее идея коллапсов следующей, более глубокой стадией?

Ответить на этот вопрос пока затруднительно - идет борьба двух концепций. Однако необходимо иметь в виду следующее: будучи отрицанием системы Птолемея, система Коперника сама отнюдь не явилась окончательным решением вопроса о мироздании. В процессе дальнейшего развития науки она в качестве составной части вошла сначала в систему Гершеля о Галактике, а затем в систему о расширяющейся Метагалактике. При этом каждая из сменявших друг друга систем мира, в сущности, была описанием определенной ограниченной системы материальных объектов: система Птолемея явилась описанием шарообразной Земли, система Коперника - Солнечной системы, система Гершеля - нашей Галактики.

Таким образом, если проводить аналогию между ситуацией, сложившейся в современной астрофизике, и более ранними этапами развития астрономии, то события, происходящие в современной астрофизике, видимо, следует рассматривать как закономерный, но преходящий этап в познании сложных физических процессов, развертывающихся в бесконечно разнообразной Вселенной. Возможно, что взрывные явления и гравитационный коллапс есть две стороны единого процесса эволюции космических объектов, и в ходе дальнейшего развития науки они будут включены в систему явлений, имеющих более общую природу.