Естествознание – единая наука о природе

Вселенная - это место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Вселенную в целом изучает космология. Почему, говоря о Вселенной, мы как бы ограничиваем данное понятие зоной, доступной эмпирическому наблюдению? Это связано с тем, что для науки важно то, что можно проверить опытным путем, современными научными методами. Вселенная представляет собой материальный мир, изучаемый в больших масштабах. Изучаемыми аспектами являются структурные образования от элементарных частиц до Метагалактик. Ступенями этой лестницы служат атомные ядра, атомы и молекулы; макроскопические и космические тела, планетные системы, звездные скопления, галактики, скопления галактик и Метагалактика.

Галактика представляет собой скопление звезд и их систем, имеет свой центр - ядро и форму. Формы галактик очень разнообразны: сферическая, спиралевидная, эллиптическая, сплюснутая или не имеющая правильной формы. В состав галактики входит свыше 100 млрд звезд с общей массой около 1044 г, а также межзвездные пыль и газ, общая масса которых равна 0,05 массы звезд. Наша планета совместно с другими планетами Солнечной системы входит в галактику, которая называется Млечный путь. Концентрация звезд галактической плоскости образует на земном небе полосу Млечного пути, состоящую из 150 млрд звезд. Млечный путь состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры - 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра расположено Солнце. Ближайшей к нашей галактике является Туманность Андромеды, до которой световой луч бежит 2 млн лет. Именно в этом созвездии в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях. В 1963 г. были открыты квазары с мощным радиоизлучением. Предполагается, что это ядра рождающихся новых галактик. Таким образом, процесс образования галактик продолжается до сих пор.

Метагалактика - это совокупность галактик, расположенных в области пространства, доступного современным средствам исследований.

Для нашего существования необходимую энергию дает Солнце, но оказывается и галактики нужны, так как из их ядер происходит непрерывное истечение водорода - основного строительного материала Вселенной. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым "строительным материалом", дающим начало более сложным атомам в процессе атомных реакций. Звезды не случайно имеют различную величину: чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Вопрос образования и строения галактик изучает не только космология, но и космогония (от греч. гонейа - рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем.

В настоящее время космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли. В древней Греции "космос" принимался как "порядок", "гармония" в противоположность "хаосу" - "беспорядку". Космология в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Это изучение основано на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. В-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только при возможности проведения бесконечного количества экспериментов и, если они приводят к однозначному результату, делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. К происхождению Вселенной это методологическое правило неприменимо, так как наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные гипотезы являются моделями, так как они в процессе развития науки могут быть заменены другими концепциями.

Модель расширяющейся Вселенной

Вопрос возникновения и строения Вселенной волновал человечество с давних времен. Взгляды на эти вопросы изменялись в процессе исторического развития общества и формирования естественнонаучной картины мира. Так, на первых этапах модель Вселенной была геоцентрической (Птолемей) и конечной, то есть ограниченной сферой. Позже, в пределах этой модели Аристотель убрал четкие границы сферы и сказал о постепенном переходе физического мира в мир духов и эфира. Эта модель просуществовала до XVI в., когда Коперник предложил гелиоцентрическую модель, в центре которой находилось Солнце. Эта модель также предполагала конечность и внешней границей в ней служила сфера неподвижных звезд. Затем в этой модели Т. Диггс предложил отказаться от внешней границы, предположив, что звезды рассеяны по безграничному пространству. Это первая попытка представить Вселенную безграничной, она была поддержана и развита Дж. Бруно, который говорил не только о бесконечности Вселенной, но и множестве миров с живым населением, подобных Земле. В 1916 г. Эйнштейн предложил свою модель, по которой вся наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое - однородна и изотропна безгранична. Как говорил сам Эйнштейн, "она безгранична, но конечна и является стационарной конечной сферически замкнутой"[1]. Для математического подтверждения этого вывода ученый вводит в уравнения полей особую космологическую постоянную, которая должна уравновесить силы тяготения на больших расстояниях. Но в 1922 г. петроградский физик А. Фридман установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. При этом были предложены три возможных “сценария” динамичности Вселенной. Согласно первому, если средняя плотность материи Вселенной меньше некоторой критической величины, то Вселенная расширяется, и этот процесс будет происходить вечно. По второму, если средняя плотность материи Вселенной больше некоторой критической величины, то Вселенная сжимается. По третьему, если средняя плотность материи Вселенной равна некоторой критической величине, то Вселенная пульсирует, то есть периоды сжатия сменяются расширением и наоборот. Первый “сценарий” был подтвержден в 1929 г. Хабблом, открывшим "красное смещение". Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота их уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Для всех далеких источников света было зафиксировано красное смещение, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Это смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, то есть о постоянном расширении Метагалактики. С этого момента модель Вселенной сменилась со стационарной на динамичную, расширяющуюся, с чем в дальнейшем согласился и Эйнштейн. Это позволило отказаться от космологической постоянной, которую сам же Эйнштейн назвал "самой грубой ошибкой своей жизни"[2]. Дальнейшее изучение состояния материи во Вселенной показало, что ее средняя плотность 10-31 г/см3, что меньше критической величины, которая составляет 6·10-30 г/см3. Именно это подтверждает, что процесс расширения будет продолжаться вечно.

В настоящее время в космологии наиболее признанной является именно модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной, в основе которой лежат два предположения:

однородность и изотропность Вселенной - это одинаковость свойств во всех ее точках и равенство всех направлений;

основой описания гравитационного поля является уравнение Эйнштейна, из чего следует так называемая кривизна пространства и ее связь с плотностью массы (энергии).

Важнейшее свойство модели - нестационарность, которое определяется двумя постулатами теории относительности: первый - во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга; второй - экспериментальное подтверждение постоянства скорости света. Такая модель в естествознании получила название стандартной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшим примерно 10-20 млрд лет назад и давшим начало нашей современной Вселенной. По выражению С. Вайнберга: "Вначале был взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы"[3].

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино. Подтверждением теории Большого Взрыва и горячести начального состояния явилось открытие в 1965 г. американскими астрономами Вильсоном и Пензиасом реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Впервые понятие "реликтовое излучение" ввел И.С. Шкловский. Первоначально это излучение обладало огромной энергией, но расширение привело к охлаждению и уменьшению энергии квантов, то есть возросла длина их волны. Это фоновое излечние и сейчас существует во Вселенной, но уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температура реликтового излучения по рассчетам Гамова должна составить около 3 К, по экспериментальным современным определениям она равна 2,74 К.

Рассматривая образовавшийся сгусток вещества и излучения необходимо понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Этот сгусток и есть сама Вселенная, и Земля находится внутри его. В процессе расширения все вещество Вселенной движется в направлении от Земли или от любого другого объекта в сгустке. Поэтому излучение сгустка бомбардирует Землю со всех сторон. Любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве. Так как расширение продолжается около 10-20 млрд лет, то огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной - порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой, должен приходится на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, то есть быть изотропным. Именно это излучение и открыли Пензиас и Вильсон. Они установили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная величина энергии, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5 К. Все выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном.

В результате взрыва образовалось пространство Вселенной и материя. В этот же момент, наряду с пространством и материей, возникло время, как писал еще в IV в. философ Августин, "мир сотворен с временем, но не во времени".

Из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы и действуют законы сохранения материи и энергии, религиозные философы доказывали, что под библейским "ничего" имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный затем Богом. Современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться "из ничего", то есть из вакуума. Физика XIX в. считала вакуум пустотой, что по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определен-ных условиях "рождать" вещественные частицы. Вакуум - это система, в которой длина свободного пробега атомов или молекул превышает размеры системы. В современном межзвездном пространстве содержится 1 атом в 1 см3, а длина свободного пробега атомов в сотни раз меньше, чем расстояние между звездами. В современных условиях масса межзвездного газа нашей галактики близка к миллиарду солнечных масс, хотя от массы галактики это всего 1%.

Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в "возбужденное состояние", вследствие чего в нем образуется поле, а из него - вещество. С научной точки зрения рождение Вселенной "из ничего" означает ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Поэтому вакуум получил название физического или квантового. Такое объяснение стало возможным при признании наличия статистических закономерностей в природе. По теории американского астронома Девиса (1989), если современная Вселенная расширяется, то когда-то происходил противоположный процесс - сжатие, который был связан с флуктуациями в физическом вакууме, что привело к сверхплотному состоянию космической материи (плотность порядка 1025 г/см3 при температуре 1016 К) и вследствие этого к Большому взрыву и рождению нашей современной Вселенной. В результате флуктуаций появлялись виртуальные частицы, которые не только непрерывно рождаются и уничтожаются, но и участвуют во взаимоотношениях как реальные частицы, с чем, возможно, и связано наступление состояния переуплотнения (по аналогии с процессом спонтанной кристаллизации вещества при наступлении состояния пересыщения раствора). Благодаря флуктуациям вакуум и приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Гипотеза происхождения Вселенной из "ничего" подтверждает, что рождение могло произойти в полном соответствии с законами физики естественным путем, без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей или творца - Бога.

Теория относительности Эйнштейна утверждает, что с исчезновением материи исчезнут и пространство и время. Перенося этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

После Большого взрыва образовался сгусток плазмы, состояние, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Качественный состав элементарных частиц менялся при ее расширении. Вероятно, через 10-43 с все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10-23 с возникли тяжелые фундаментальные частицы - кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счет аннигиляции число пар этих тяжелых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее еще через 10-2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц (лептонов). Вселенная как бы "омолодилась" и практически состояла только из лептонов и излучения (квантов). Затем от 1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Но этим фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронные пары, поэтому излучение преобладало над веществом - это эпоха излучения. Через 100 с после Большого Взрыва температура Вселенной упала до 109 К, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра легких элементов - 2/3 водорода и 1/3 гелия, а позже лития и бериллия. Этот период заканчивается через несколько часов и его называют нуклеосинтезом. В течение последующих миллионов лет продолжается расширение и охлаждение, но энергия фотонов значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы образовываться еще не могут. При снижении температуры до 104 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, что и позволило образоваться атомам. Космологи говорят, что Вселенная становится прозрачной, так как фотоны не взаимодействуют с веществом, и реликтовое излучение заполнило Вселенную. С этого момента температура упала с 104 К до 3 К в наше время. Таким образом, реликтовое излучение несет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился "всего" 1 миллион лет. Этот период называют физической эволюцией Вселенной.

Модель расширяющейся Вселенной встретилась с некоторыми трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать, но для такого торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной так называемых "черных дыр", которые невозможно увидеть, но хранят в себе 9/10 массы Вселенной. Черные дыры - это такое состояние космических объектов, когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме и под действием собственного тяготения начинает неудержимо сжиматься. При этом наступает гравитационный коллапс (быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения). Черные дыры являются заключительным этапом в жизни массивных звезд. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому черная дыры ничего не выпускает наружу и не отражает, поэтому ее невозможно обнаружить. В черной дыре происходит значительное искривление пространства и замедление времени. На определенном этапе сжатия начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается и происходит антиколлапсионный взрыв, и черная дыра превращается в белую. Предполагается, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются сверхмощными источниками энергии.

Модель расширяющейся Вселенной можно образно представить в виде раздувающегося шара, поверхность которого покрыта точками - галактиками, при раздувании эти точки расходятся все дальше и дальше друг от друга (по Хабблу). Удаление галактик происходит за счет раздвигания (расширения) поверхности. При этом пространство как бы вытягивается, а так как у поверхности сферы нет центра, то Вселенная не расширяется куда-то, а просто увеличивается в размерах.

Сценарий Большого Взрыва в целом оправдывает доверие научного мира, но не описывает самих причин "первотолчка" и его конкретной мощности. Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель - раздувающейся или "инфляционной Вселенной". Согласно этому сценарию раздувание в период времени от 10-43 до 10-32 с идет экспоненциально, со скоростью большей скорости света. Объяснение этого парадокса связано с тем, что это не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией. Суть модели в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее (подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом). Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартной теории Большого Взрыва. Поскольку раздувающаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то возрастание энтропии не происходит, и возникновение тепловой смерти невозможно. В этой модели проблема вакуума также является центральной. Далее развитие Вселенной аналогично моделии Большого Взрыва.

По современным представлениям вакуум - это особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, сокрытое бытие и особое "ничто", потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы и при сообщении этому вакууму энергии из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты. С точки зрения синергетики эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума. Считается, что в вакууме вместе с увеличением плотности энергии возникают натяжения подобно тем, что возникают в твердом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшем к раздуванию. В одной из моделей вакуума предполагается, что он как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая и реализовывается в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. То есть в основе инфляционной модели лежит спонтанное, самопроизвольное нарушение симметрии физического вакуума, что и приводит к рождению Вселенной.

По вопросу "начала" Вселенной М. Борн пишет: "Понятие начало относится лишь к нашей способности описывать положение вещей с помощью аппарата привычных нам понятий. Вопрос, имело ли место сотворение из ничего - не научная задача, а вопрос веры. Необходимо помнить, что начало Вселенной в том виде, как она нам известна, может быть концом другой формы развития материи, хотя практически невозможно узнать что-нибудь относительно этого периода, поскольку все следы были стерты в суматохе разрушения и перестройки". В дальнейшем, эти самые скачки и разрывы в единой цепи эволюции, американский ученый Р. Том назовет "катастрофами".

Структурнае уровни организации Вселенной

В процессе длительной эволюции во Вселенной образовались структурные уровни:

мегамир, к которому относится Вселенная как целое, галактики, звездные системы и планеты; все эти объекты образовались в результате космической эволюции;

макромир - биосфера (экологическая эволюция), сообщества, популяции, вид, индивид (биологическая эволюция);

микромир - клетка (биологическая эволюция), молекула (химическая эволюция), атом, элементарная частица, кварк (физическая эволюция).

Мегамир - это мир больших космических масштабов и скоростей. В нем пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время - в миллионах и миллиардах лет. Макромир - это мир объектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле. Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время - в секундах, минутах, часах и годах. Микромир - мир предельно малых масштабов. Пространственные характеристики исчисляются от 10-8 до 10-16 см, а время - от бесконечности до 10-24 секунды.

Эти структурные уровни находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, образуя иерархическую структуру: кварки > протоны и нейтроны > ядро атома > ядро + з ? атом > молекулы > природные тела > планетные системы > галактики > Вселенная.

Все материальные объекты Вселенной состоят из элементов или веществ. Наиболее распространенными в настоящее время являются: водород - 90%, гелий - около 9%, а на все остальные элементы приходится 1%. В распространении элементов наблюдается определенная тенденция - легких элементов больше, а тяжелых - меньше (исключая железо). Это и понятно, так как у тяжелых элементов больше протонов и нейтронов. Они могут образовываться при реакциях ядерного синтеза легких элементов, которые происходят при таких температурах, при которых преодолевается отталкивание одноименно заряженных частиц, то есть, чем больше протонов в ядре, тем сильнее силы отталкивания и тем труднее ядерный синтез. Такие температуры были в момент Большого взрыва и именно тогда шел ядерный синтез и образовывались различные элементы, из которых состоит вещество Вселенной. В своей таблице химических элементов Менделеев отразил эволюцию элементов во Вселенной и последовательность их возникновения: от самого легкого - водорода, до самого тяжелого - родона.

Все небесные тела современной Вселенной можно разделить на испускающие энергию - звезды и не испускающие - планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проникающей способности - нейтрино. Звезды - это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Они движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр, - это переменные (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых превышает 10 млн лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скопление газов). Существуют очень крупные звезды - красные гиганты и сверхгиганты, нейтронные звезды, масса которых близка к массе нашего Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км). Они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов.

Все планеты можно разделить на две группы: 1) планеты типа Земля - малые и 2) планеты-гиганты.

Для первых характерно отсутствие или наличие небольшого количества спутников, для вторых - наличие большого числа спутников. Спутники не имеют атмосферы, так как силы тяготения на их поверхности недостаточны для ее удержания.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием теплового излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионы километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия или несколько столетий).

В космосе постоянно происходят катастрофы - рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности, при этом масса остается прежней. Обычная звезда превращается в "белого карлика", то есть звезду, имеющую относительно высокую температуру поверхности (от 7 до 30 тыс. градусов) и низкую светимость (во много раз меньшую светимости Солнца). Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же "падают" обратно из-за сил гравитации, то есть образуется "черная дыра", переходящая затем в белую.

Одной из стадий эволюции нейтронных звезд, как предполагается, является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя как миллиарды Солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

В настоящее время существует две основные гипотезы образования звезд и планет во Вселенной. По первой - небулярной модели (Канта-Лапласа, которая подробно будет рассмотрена в следующей части),- звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности. По второй, основанной на модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной (В. Амбарцумяна), возникновение галактик, звезд, планетных систем происходило из сверхплотного звездного вещества, состоящего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации. Большинство современных ученых склоняется ко второму варианту. Будущее развитие естествознания решит, какая же из них ближе к истине.

Солнечная система и ее происхождение

Солнце - это плазменный шар (плотность всего 1,4 г/см3), хорошо нагретый (температура поверхности 6000о С). Оно имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Солнце медленно вращается вокруг своей оси, совершая один оборот за 25 земных лет. Излучение Солнца - солнечная активность - имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце особенно много пятен. Источником солнечной энергии, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Уменьшение массы Солнца в результате излучения составляет 4,3 млн т/с.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики - 250 км/с. Один полный оборот вокруг галактического центра солнечная система совершает за 180-220 млн лет. Ближайшая к нашей системе звезда - Проксима Центавра - располагается на расстоянии 4,2 световых лет.

Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5-5,5 млрд лет.

На вопрос о происхождении Солнечной системы в целом и нашей планеты пока нет однозначного ответа. Первая гипотеза возникновения Солнечной системы была создана немецким философом Кантом, а позже развита французским математиком и астрономом Лапласом. Ее сущность заключается в том, что наша планетная система образовалась при конденсации пылевой туманности. Правда, у Канта первоначально эта туманность была холодной и в процессе эволюции дифференцируется центральная часть - будущее Солнце, а позже планеты. По Лапласу - туманность горячая, находится в состоянии быстрого вращения, по закону сохранения момента движения эта скорость все увеличивается, и из-за больших центробежных сил в экваториальной части от этого сгустка стали отделяться кольца, которые в процессе дальнейшей конденсации и дали планеты. По гипотезе Лапласа планеты образовались раньше Солнца. Как видно, между гипотезами Канта и Лапласа есть принципиальная разница, но все же их в настоящее время объединяют, так как единством является внутренняя причина образования планетной системы в результате закономерного развития туманности, без дополнительного влияния извне. Такая гипотеза называется небулярной. Эта точка зрения просуществовала до 1900 г.

Но, с развитием астрономии и физики, когда было установлено, что число планет в системе 9, что все они имеют разный размер и массу и каждая вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси, стало ясно, что основной характеристикой такой системы (которую можно рассматривать как обособленную механическую систему) является момент количества движения или "запас вращения" системы. В Солнечной системе момент количества движения распределен между Солнцем и планетами следующим образом: на долю орбитального движения планет приходится 98% и только 2% - на вращение Солнца вокруг оси. Момент количества движения, связанный с вращением планет вокруг своих осей оказывается пренебрежительно малым из-за сравнительно их малых масс и радиусов. Гипотеза Канта-Лапласа не объясняла этого. Кроме того, у "протосолнца" момент количества движения должен был быть намного больше, чем у кольца, из которого образовались планеты системы, что противоречит фактическому распределению момента количества движения.

На смену гипотезе Канта-Лапласа пришла гипотеза американского ученого Джинса, по которой исходная материя для образования Солнечной системы была выброшена из Солнца при прохождении рядом с ним крупной звезды. При таком прохождении расстояние было столь мало, что этот момент назвали столкновением. В такой момент под действием приливных сил со стороны налетевшей звезды из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа, которая, оставаясь в сфере притяжения Солнца, после ухода звезды и дала в процессе конденсации планеты системы. Эта гипотеза носит название "приливной".

Если бы все так и было, то количество планетных систем в галактике было бы ничтожно мало, что не соответствует современным данным. Так же и по этой гипотезе не объясняется распределение момента количества движения между Солнцем и планетами, то есть, почему основная его часть сосредоточена в орбитальном движении планет. Более поздние исследования показали, что в такой ситуации выброшенная струя газа не будет конденсироваться, а рассеется в пространстве. Американский астроном Вулфсон попытался внести коррективы в гипотезу Джинса, предположив,

что сгусток или струя была выброшена не со стороны Солнца, а со стороны проходившей звезды. Солнце захватило сгусток, и его отдельные части, вращаяясь вокруг Солнца, дали планеты. По математическим расчетам эта модель верна только для больших планет, а для планет земной группы она несостоятельна.

В 1944 г. советский ученый О.Ю. Шмидт предложил теорию, по которой наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газопылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный вид". В этом случае, не возникает трудностей с вращательным моментом планет, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Позже эта теория была развита и дополнена английским ученым Литтлтоном. Такая гипотеза получила название "аккреционной" и весьма схожа с гипотезой "захвата" Джинса-Вулфсона, так как и в той и другой почти современное Солнце сталкивается с более или менее рыхлым космическим объектом, захватывая часть его вещества. Дальнейшие расчеты показали, что для такого захвата скорость прохождения Солнца через туманность должна быть невелика - порядка 100 м/с, при этом и скорость движения элементов газопылевой туманности должна быть около этой величины, то есть фактически Солнце как бы "застряло" в облаке. Скорее всего, Солнце и облако должны были иметь общее происхождение, то есть процесс образования планет связывается с процессом звездообразования.

Это послужило отправной точкой создания гипотезы академиком Фисенковым, который от чисто механического объяснения образования планет обратился к процессам, происходящим внутри Солнца. Согласно его представлениям процесс образования планет происходил во время перехода одного типа ядерных реакций в глубине Солнца к другому, что определялось температурным режимом. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома Дж. Дарвина (сына знаменитого Ч. Дарвина) и русского ученого Ляпунова. Фисенков, таким образом, связал образование солнечной системы в единое целое и избавил теорию планетообразования от внешних случайных факторов. Кроме того, это согласуется и с данными о том, что само Солнце - это звезда второго порядка и солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках. В настоящее время механизм "перекачки" момента количества движения от центральной звезды к планетам предложен шведским ученым Альвеном, который предположил, что роль "передаточного ремня" может выполнять магнитное поле. Он исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов, которые под действием излучения и столкновений ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Слабость гипотезы в том, что ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов, а более отдаленные - из более тяжелых (железа, никеля), тогда как наблюдения говорят об обратном. Эти идеи развивались в космогонической гипотезе английского астрофизика Хойла. Он считает, что планеты образовались из газопылевой туманности с низкой первоначальной плотностью вещества. Отдельные "куски" туманности двигались относительно друг друга с беспорядочными скоростями. Поэтому туманность обладала некоторым моментом движения. В процессе конденсации туманности происходила потеря момента количества движения (до 99%), это произошло до образования звезды, в противном случае скорость движения новорожденной звезды должна была быть близкой к скорости света, что невероятно. Такая "утечка" момента может быть обусловлена межзвездным магнитным полем, по силовым линиям которого, как по струнам, происходила эта "перекачка".

Наиболее последовательным сторонником гипотезы образования Солнечной системы из первичной "солнечной" туманности является американский астроном Камерон, связавший в единый процесс образование звезд и планетных систем. Современная наблюдательная астрономия практически доказала, что звезды образуются путем конденсации облаков межзвездной среды в результате их гравитационной неустойчивости. Важно подчеркнуть, что сторонние причины могут увеличивать плотность облаков, после чего последние начинают сжиматься. Такими причинами могут быть взрывы сверхновых неподалеку от облака. Образовавшаяся после такого взрыва в межзвездной среде сильная ударная волна сжимает газ в облаке, создавая условия для дальнейшего сжатия уже под влиянием внутренней силы тяготения. Поэтому взрывы сверхновых могут служить стимуляторами процесса звездообразования. То, что у "колыбели" нашей планетной системы стояла взорвавшаяся звезда, Камерон обосновывает аномальным изотопным составом метеоритов, являющихся частью вещества Солнечной системы. По мере сжатия массивного облака оно разбивалось на более мелкие сгустки, одним из которых и была "солнечная" туманность. Первоначально газ туманности находился в состоянии быстрого, беспорядочного движения и по этой причине обладал значительным вращательным моментом, образовывался уплощенный диск, внутренняя неустойчивость которого привела к образованию в нем колец, которые дали начало гигантским протопланетам, из которых позже образовались планеты (в результате столкновения с твердыми частицами, их слипания образовывался сначала планетный зародыш). По расчетам советского астронома В.С. Сафонова для такой сборки Земли потребывалось бы около 100 млн лет. Последние наблюдения показали достаточную аргументированность и убедительность камероновской солнечной туманности.