Реферат: Особенности астрономии ХХ века - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Особенности астрономии ХХ века

Банк рефератов / Астрономия, авиация, космонавтика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 87 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Особенности астрономии ХХ века 1. Изменения способа познания в аст рономии ХХ века В ХХ в . в астрономии произошли поистине радика льные изменения . Прежде всего , значительно рас ширился и обогатился теоретический фундамент астрономических наук . Начиная с 20-30-х годов , в качестве теоретической основы астрономического познани я стали выступать (наряду с классической механикой ) релятивистская и кванто вая механика , что существенно раздвинуло "теор етический горизонт " астрономических исследований . Общая теория относительности создала возможность модельного теоретического описания я влений космологического масштаба и по сути впервые поставила космологию - эту чрез вычайно важную отрасль астрономии - на твердую теоретическую почву . А создание квантовой механики послужило чрезвычайно мощным импульсо м развития как астрофизики , так и косм о гонического аспекта астрономии (в частности , выяснения источников энергии и м еханизмов эволюции звезд , звездных систем и др .); обеспечило переориентацию задач астрономии с изучения в основном механических движе ний космических тел (под влиянием гравитацион н ого поля ) на изучение их физи ческих и химических характеристик . Выдвижение на первый план астрофизических проблем сопро вождалось также интенсивным развитием таких о траслей астрономической науки , как звездная и внегалактическая астрономия. Наряду с этим сущ ественно соверше нствовались и эмпирические методы астрономическо го познания . Астрономия стала всеволновой , т.е . астроно мические наблюдения проводятся на всех диапаз онах длин волн излучений (радио ,- инфракрасный , оптический , ультрафиолетовый , рентгеновский и гамма - диапазоны ). Появил ась также возможность непосредственного исследов ания с помощью космических аппаратов и на блюдений космонавтов околоземного космического п ространства , Луны и планет Солнечной системы . Все это привело к значительному расширен ию на блюдаемой области Вселенной и от крытию целого ряда необычных (и , как прави ло , неожиданных и во многом необъяснимых ) явлений. Среди этих открытий особенное значение имеют нестационарные процессы во Вселенной : · обнаружение в к онце 40-х годов существования " звездных ас социаций ", представляющих собой группы распадающих ся после своего рождения звезд ; · обнаружение в 50-х годах явлений р аспада скоплений и групп галактик ; · открытие в 60-е го ды квазаров (Квазары - самые мощные из изве стных сейчас источников эне ргии . При с равнительно небольших размерах (не более 1 свет ового месяца ) средний квазар излучает вдвое больше энергии , чем вся наша Галактика , имеющая в поперечнике размер в 100 тысяч све товых лет и состоящая из 200 млрд . звезд (!). Для квазаров характерны и признаки явной нестабильности : переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями )., р адиогалактик , взрывной активности ядер галактик с колоссальным энерговыделением (~ 1 0 n эрг , где n = 6 0); · нестационарных явлений в недрах звезд ; · нест ационарных я влений в Солнечной системе (быстрый распад короткопериодических комет , планетарная эруптивная деятельность и др .). Кроме того , к выдающимся астрономическим открытиям следует о тнести обнаружение : · "реликтового " излу чения , которое является важн ейшим аргумен том в пользу теории "горячей " Вселенной ; · "рентгеновских звезд "; · пульсаров ; · космических мазеров на линиях некоторых молекул (воды , ОН и др .); · вероятное открытие "ч ерных дыр "; и др . 11.2. Новая астроно мическая революция Попытки объя снить эти и другие новейшие от крытия столкнулись с рядом принципиальных тру дностей , преодоление которых связано с необхо димостью совершенствования теоретико-методологического инструментария современной астрономии . Все это привело к значительному возрастан и ю количества разрабатываемых астрофизических и космологических моделей , концепций , опирающ ихся на разные принципы и не связанных пока единой фундаментальной теорией . На этом фоне происходит интенсивная д ифференциация и интеграция знаний о Вселенной . Выдел яются не только новые отрасли теоретической и наблюдательной астрономии , н о в связи с успехами космической техники возникают прикладные отрасли астрономии . В то же время возрастает роль общетеоретичес ких интегративных принципов , понятий , установок , которы е формируются под влиянием математики , физики , других естественных и даже гуманитарных наук . Изменяется место астроном ии в системе научного познания : она сближа ется не только с естественными и математи ческими , но и с гуманитарными науками , фил ософией. По су ти , астрономия во второй половине ХХ века астрономия вступила в пе риод научной революции , которая изменила спос об астрономического познания - на смену класси ческому способу познания пришел "неклассический " способ астрономического познания . Свидетельством э того является радикальная смена методологических установок астрономического познания и астрономической картины мира. Рассмотрим сначала основные элементы совр еменной астрономической картины мира , а затем и методологические установки неклассической астроном ии. 1.3. Солне чная система 11.3.1. Планеты и их спутники Земля - спутник Солнца в мировом пространстве , вечно кружащийся около этого источника тепла и света , делающего возможным жизнь на Земле . Кроме Солнца и Луны самыми яркими из постоянно наблюдаемых нам и небесных объектов являются соседние с нами планеты . Они принадлежат к числу тех девяти мир ов (включая и Землю ), которые обращаются во круг Солнца (а его радиус - 700 тыс . км ., т . е . в 100 раз превышает радиус Земли ) на расстояниях , достигающих нескольких м иллиардов километров . Вся группа планет вмест е с Солнцем называется Солнечной системой . Планеты , хотя и кажутся похожими на зве зды , в действительности гораздо меньше послед них и темнее . Планеты видны только потому , что они отражают солнечный свет , и , п ос к ольку они гораздо ближе к Земле , этот свет кажется очень ярким . Но если бы мы перенесли к ближайшей из звезд наши самые мощные телескопы , то н е смогли бы с их помощью даже различи ть эти ничтожные спутники Солнца. Кроме планет в солнечную "семью " входя т спу тники планет (в том числе и наш спутник - Луна ), астероиды , кометы , метеорн ые тела , солнечный ветер . Распо ложены планеты в следующем порядке : Меркурий , Венера , Земля (один спутник - Луна ), Марс (два спутника - Фобос и Деймос ), Юпитер (15 с путников ), Сатурн (16 спутников ), Уран (5 спутников ), Нептун (2 спутника ) и Плутон (один спутник ). Мы к Солнцу в сорок раз ближе , чем Плутон , и в два с по ловиной раза дальше , чем Меркурий . Возможно , что за Плутоном есть еще одна или несколько планет , но поиски их среди вел икого множества звезд слабее 15-й велич ины слишком кропотливы и не оправдывают з атраченного на них времени . Возможно , они будут открыты "на кончике пера ", как это уже было с Ураном , Нептуном и Плутоном. Планеты должны быть и около многих других звезд , одна ко прямые наблюдатель ные данные о них отсутствуют , и есть т олько некоторые косвенные указания . Другими с ловами , современная астрономия исходит из иде и множественности планетных систем во Вселенн ой . Хотя это - гипотетическое предположение и строгих его док а зательств пока не существует. С 1962 г . планеты и их спутники успешн о исследуются космическими аппаратами . Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса , сфотографированы поверхности Меркурия , облачный п окров Венеры , Юпитера , Сатурна , вся поверхность Луны , получены изображения спутников Ма рса , Юпитера , Сатурна , колец Сатурна и Юпит ера . Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород , с лагающих поверхность Марса , Венеры , Луны (образ цы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены ). По физическим характеристикам планеты дел ятся на 2 группы : 1. планеты земного типа : Меркурий , Венера , Земля , Марс ; 2. планеты-гиганты : Юпитер , Сатурн , Уран , Не птун . О Плутоне известно мало , но , по-видимом у , он ближе по своему строени ю к планетам земной группы. 11.3.2. Стр оение планет Строение планет слоистое . Выделяют несколько сферичес ких оболочек , различающихся по химическому со ставу , фазовому состоянию , плотности и др . характеристикам. Все планеты земной группы имеют тверд ые оболоч ки , в которых сосредоточена п очти вся их масса . Три из них (Венера , Земля и Марс ) обладают газовыми атмосфер ами . Меркурий практически лишен атмосферы . Тол ько Земля имеет жидкую оболочку из воды - гидросферу , а также биосферу (результат про шлой и современн о й деятельности ж ивых организмов ). Аналогом земной гидросферы н а Марсе является криосфера - лед в полярны х шапках и в грунте (вечная мерзлота ). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере. Характеристики твердых оболочек планет от носительно х орошо известны лишь у Зем ли . Модели внутреннего строения других планет земной группы стоятся главным образом на основании данных о свойствах веществе зе мных недр . Как и у Земли , в твердых оболочках планет выделяют : 1. кору - самую внешнюю тонкую (10-100 км ) твердую оболочку ; 2. мантию - твердую и толстую (1000-3000 км ) об олочку ; 3. ядро - наиболее плотная часть планетных недр. У Земли ядро , состоящее , скорее всего , из железа , подразделяется на внешнее (жид кое ) и внутреннее (твердое ); температура в ц ентре Зе мли оценивается в 4000-5000 К . Жидкое ядро , вероятно , есть также у Меркурия и Венеры , у Марса его , по-видимому , нет. Наиболее распространенные элементы в твер дом "теле " Земли - Fe ( 3 4 ,6 %), О (2 9 , 5 %) , Si ( 1 5 , 2 %) и Mg ( 1 2 , 7 %) . Таким обра зом , планеты земной груп пы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов - очень мало водорода , инертных газов , вклю чая гелий. Планеты-гиганты обладают иным хи мическим соста вом . Юпитер и Сатурн сод ержат водород и гелий в той же пропор ции , что и Солнце . Вероятно , другие элемент ы также содержатся в пропорциях , соответствую щих солнечному составу . В недрах Урана и Нептуна тяжелых элементов , по-видимому , больше. Недра Юпитера нахо дятся в жидком состоянии , за исключение небольшого каменного ядра . Температура в центре Юпитер а ~ 30 000 K . Химический и изотопный состав Юпитера отражает , по-видимому , состав межзвездной среды , какой она была 5 млрд . лет тому назад . Вместе с тем , Юпитер никогда не был настолько горяч , чтобы в нем мо гли протекать термоядерные реакции . Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер . Стр оение недр Урана и Нептуна иное : доля каменистых материалов в них существенно больш е. Основными источниками энергии в недра х планет являются радиоактивный распад элементов и гравитационная дифференциац ия (постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью - тяжелые фрагменты тонут , легкие всплывают ). Подобное перераспределение на Земле ещ е далеко не завершилось . Такие процессы влияют на земную кору , вызывая перемещени я отдельных ее участков , деформацию , горообраз ование - тектонические и вулканические процессы . Вулканические процессы связаны с тем , что в верхней мантии существуют небольшие об ласти , гд е температура достаточна дл я плавления ее вещества . Расплавленное вещест во (магма ), выдавливающееся вверх , прорывается ч ерез кору и происходит вулканическое извержен ие . Судя по характеру поверхности среди пл анет земной группы тектонически наиболее акти вна З емля , за ней следуют Венера и Марс. Поверхность планет и их спутников фор мируют кроме эндогенных (тектонических , вулканичес ких ) процессов и экзогенные - изменение поверхн ости в результате падения метеорных тел (к ратеры ), эрозия под действием ветра , осадков , воды , ледников , химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др . Эндогенные и экзогенные процессы опреде ляют формы рельефа поверхности планет. 11.3.3. Про исхождение планет Предполаг ается , что планеты возникли одновременно (или почти одновременно ) 4,6 млрд . лет назад из газово-пылевой туманности , имевшей форму диска , в центре которого формировалось (или , возможно , уже было расположено ) молодое Сол нце . Образование звезд и планетных систем - это , по-видимому , все-таки единый процесс , п р оисходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости . Таким образом , прот опланетная туманность образовалась , по-видимому , вм есте с Солнцем из межзвездного вещества , п лотность которого превысила критические п ределы . По некоторым данным ( присутствие специфических изотопов в метеоритах ), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды . Взрыв св ерхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации , а также обеспечить с о держание в составе газовой туманности тяжелых элементов . Допланетное облако должно было быть м аломассивным . Если бы оно было > 0,15 массы Сол нца оно аккумулировалось бы не в систему планет , а в звездообразный спутник Солнца . Протопланетное облако было неу стойчив ым , оно становилось все более плоским , кон денсировалось в уплотненный диск , в нем во зникали неустойчивости , которые приводили к о бразованию ряда колец , а газовые кольца пр евращались в газовые сгустки - протопланеты . Пр отопланеты сжимались , твердые п ылинки сближались , сталкивались , образовывали тела все больших и больших размеров , и в относ ительно короткий срок (1 0 n лет , где по разным оценкам n = 5 ч 8) сформировались 9 больших планет . Астероиды , кометы , метеориты являются , вероятно , остатками мате р иала , из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому , что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера . Аналогичные камен истые тела , некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы , давно прис оединились к этим планетам либо разрушились при взаимных столкновениях , либо были выб рошены на пределы этой зоны благодаря гра витационному воздействию планет. Происхождение систем регулярных спутников (т.е . движущихся в напр авлении вращения планеты по почти круговым орбитам , лежащи м в плоскости ее экватора ) авторы космогон ических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса , который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спут ники есть у Юпитера , Сатурна , Урана . Происх ождение иррегулярных спутников (т.е . таких , кото рые обладают обратным движением ) эти теории объясняют захватом . Что касается Луны , то наиболее вероятн ым является ее образование на околоземной орбите (во зможно из нескольких крупных спутников , которые в конечном счете объед инились в одной тело Луну , что обеспечило ее быстрое нагревание ), хотя в литературе продолжают обсуждаться и маловероятные гипот езы захвата Землей готовой Луны и отделен ия Луны от Земли. 11.3.4. Хим ический состав вещества во Вселенной Очень важным для понимания структуры и эволюции Вселенной является вопрос о химическом сос таве вещества во Вселенной . Как известно , всякое вещество состоит из атомов . В естественном виде на Земле встречаетс я около 90 разных видов атомов ; кроме того , несколько новых видов атомов было получено искусственно . Вещество , образов анное атомами только одного какого-нибудь вид а , называется элементом . Атомы большинства эле ментов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов , образуя молекулы ; конкретные законы такого об ъединения являются предметом изучения химии . Всякое вещество во всех его формах - от самого твердого (алмаза ) до любого газа ( воздуха , например ), от органических соединений тела чело в ека до отдаленнейших га лактик и звезд - представляет собой различные комбинации все тех же основных элементов . Простейший элемент - водород . Его атом состоит всего из двух частиц - электрона и протона . Следующий простейший элемент - гелий , каждый атом кот орого содержит шесть частиц : два протона и два нейтрона , ра сположенные в центре , образуют ядро , а два электрона , связанные с ядром электрическим притяжением , вращаются вокруг него по орбит ам . Основные различия между атомами обусловле ны разным количеством п ротонов в их ядрах . Сейчас известны все атомы , ядр а которых содержат от 1 до 92 протонов , но если одни из них , например железо , широк о распространены на Земле , то другие , напр имер технеций , встречаются крайне редко . Самым сложным из существующих в природе элементов является уран ; ядро его атом а включает 92 протона и около 140 нейтронов , а вокруг него обращаются 92 электрона . Элементы , имеющие в ядре более 92 протонов и пол ученные искусственным путем (например , нептуний и плутоний ), неустойчивы (радиоактивн ы ) и довольно быстро распадаются . Поэтому они не были найдены на Земле в е стественном виде. При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы . Однако относительная распространен ность элементов на Земле различна для разных частей Вселенной . Так , около 90% всех атомов во Вселенной - атомы водорода : оста льные - главным образом атомы гелия . Более тяжелые атомы , которые обычны для нашей пл анеты Земля , составляют во Вселенной лишь нич т ожно малую часть. Из этого следует , что образование Земли осуществлялось в особенных условиях , не хар актерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной . Ясно , что вначале во Вселенной не было сложных атомов и действовал какой-то меха низм синтеза , формирующий сложные элементы из более легких и простых , таких , как водород . Когда и как действовала "фабрика ", изготавливавшая хим ические элементы , - одна из центральных проблем современного естествознания , лежащая на "стык е " астрономии , хим и и и физики . 11.4. Звез ды 11.4.1.Звезда - газовый шар Звезды - далекие солнца . Звезды - это огромные раскал енные солнца , но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы , что , хотя они сияют в миллионы раз ярче , их свет кажется нам отно сител ьно тусклым . В ночном небе невооруженным газом мож но видеть около 6000 звезд . С уменьшением бле ска звезд число их растет , и даже прос той их счет становится все более затрудни тельным . В астрономические каталоги "поштучно " сосчитаны и занесены все звез ды ярче 11-й звездной величины . Их около миллиона . А всего доступно нашему наблюдению около двух миллиардов звезд . Общее количество зве зд во Вселенной оценивается в 10n , где n = 2 2 . Различны размеры звезд , их строение , х имический состав , масса , темпера тура , свети мость и др . Самые большие звезды (сверхгиг анты ) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз . Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше . Предельная масса звезд рав на примерно 60 солнечным массам . Весьма различны и расстояния до звезд . Свет звезд некоторых далеких звездных систем доходит до нас за сотни милли онов световых лет . Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величи ны a Центавра , не видимую с территории Росс ии . Она отстоит от нас на расстоянии 4 световых лет . (Светово й год равен 9, 46 · 1 0 n км , где n = 12, или около 10.000 млрд . км . Парсек (пк ) - единица для выражения межзвездных расстояний равная пути , который бы прошел свет (с =300 000 км / сек ) за 3, 26 года . 1 парсек = 3,083 · 1 0 n км , где n = 1 3 . Во внегалактич е ской астрономии употребляются еще такие едини цы как килопарсек (Кпк ) (равный 1000 пк ) и м егапарсек (Мпк ) (равный 1 000 000 пк )).. Курьерский поезд , идя без остановок со скоростью 100 км / ч ас , добрался бы до нее через 40 миллионов лет ! В звездах сосредоточ ена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной . Звезды - мощные источники э нергии . В частности , жизнь на Земле обязан а своим существованием энергии излучения Солн ца . Вещество звезд находится в ином состоя нии , чем вещество в п ривычных дл я нас земных условиях . Вещество звезд пред ставляет собой плазму . И потому , строго го воря , звезда - это не просто газовый шар , а плазменный шар . Плазма - это четвертое (наряду с твердым , жидким , газообразным ) состоя ние вещества , представляющее с о бой ионизированный газ , в котором положительные (ионы ) и отрицательные заряды (электроны ) в среднем нейтрализуют друг друга . На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влия н и е частиц друг на друга существенным образ ом сказывается на его физических свойствах - давлении , теплоемкости и р .), а иногда и нейтронного вещества (нейтронные звезды - пуль сары , барстеры - источники рентгеновского излучения и др .; вещество в них состоит в основном из нейтронов ) Звезды в космическом пространст ве не распределены равномерно . Они образуют звездные системы : o кратные звезды (двойные , тройные и т.д .); o звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов ); o галактики - грандиозные звездные системы (наша Галактика , например , содержит около 150-200 млрд . звезд ). В нашей Галакти ке звездная плотность также весьма неравномер на . Выше всего она в области галактическог о ядра . Здесь она в 20 тыс . раз выше , чем средняя звездная плотность в о кре стностях Солнца. Большинство звезд находится в стационарно м состоянии , т.е . изменений их физических х арактеристик не наблюдается . Это отвечает сос тоянию равновесия . Однако наблюдения показывают , что существуют и такие звезды , свойства которых меняются в идимым образом . Их называют переменными звездами и нестационарными зв ездами. С теоретической точки зр ения переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды . Переменные звезды некоторых типов изменяют св ое состояние рег улярным или нерегулярным образом . Следует отметить также и такой вид звезд , в которых непрерывно или в ремя от времени происходят вспышки , в част ности новые звезды . При вспышках (взрывах ) т.н . сверхновых звезд вещество з везд в некоторых случаях может быть п олностью рассеяно в пространстве. Высокая светимость звезд , поддерживаемая в течение длительного времени , свидетельствует о выделении в них огромных количеств э нергии . Современная физика указывает на два возможных источника энергии - гр авитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии , и термоядерные реакции , в резу льтате которых из ядер легких элементов с интезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии. Энергии гравитационного сжатия , как показ ывают расчеты , было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение вс его лишь 30 млн . лет , в то время как из геологических и др . данных следует , что светимость Солнца оставалась примерно постоя нной в течение миллиардов лет . Гравитационное сжатие может служи т ь источником энергии лишь для очень молодых звезд (типа t Тельца ). С другой стороны , термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах в тысячи раз пре вышающих температуру поверхности звезд . Так , д ля Солнца температура , при кото р ой термоядерные реакции могут выделять необходи мое количество энергии , составляет по различн ым расчетам от 12 до 15 млн . К . Таким образ ом , наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой. Предполагается , что у многих (но вряд ли у большинства ) звез д есть собс твенные планетные системы , аналогичные нашей Солнечной системе. 11.4.2. Эво люция звезд : звезды от их "рождения " до "смерти " 11.4.2.1. Процесс звездообразования Эволюция звезд - это изменение физических характеристи к , внутреннего строения и химич еского состава звезд со временем . Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд и находится в удовлетв орительном согласии с данными наблюдений. Ход эволюции звезды зависит от ее массы и от исходного химического состава . Хими ческий состав звезды зависит от времени , когда она образовалась и от ее положения в Галактике в момент образован ия . Звезды первого поколения сформировались и з вещества , состав которого определялся космо логическими условиями (почти 70% водорода , 30% гелия и ничтожная примесь дейтерия и лития ). В ходе эволюции звезд первого поко ления образовались тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева ), которые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечение вещества из звезд или при взры в ах звезд . Звезды последующих поколений сформировались уже из в ещества , содержавшего 3-4% тяжелых элементов. "Рождение " звезды - это образование гидро статически равновесного объекта , излучение которо го поддерживается за счет собственных источни ков энергии . А "смерть " звезды - это не обратимое нарушение равновесия , ведущее к раз рушению звезды или к ее катастрофическому сжатию . Процесс звездообразования продолжа ется непрерывно , он происходит и в настоящ ее время. Звезды образуются в результате гравитационной ко нденсации вещества межзвездной среды . К молод ым звездам относятся звезды , которые еще н аходятся в стадии первоначального гравитационног о сжатия . Температура в центре таких звезд недостаточна для протекания ядерных реакций , и свечение происходит только за с чет превращения гравитационной энергии в теплоту . Гравитационное сжатие - первый этап эволюции звезд . Он приводит к разогреву центральной з оны звезды до температуры "включения " термояде рной реакции ( ~ 1 0 - 1 5 млн . К ) превращения водорода в гелий ( ядра водорода , т.е . протоны , образуют ядра гелия : каждые четыре прото на , объединяясь , образуют атом гелия ). Такое превращение сопровождается большим выделением энергии . 11.4.2.2.Звез да как саморегулирующаяся система У боль шинства звезд источниками энергии явл яютс я водородные термоядерные реакции в центральн ой зоне . Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерног о горючего в звездах . Запасы его в зве здах очень велики , так что в звездах я дерные реакции могут протекать в течение м и ллиардов лет . При этом , пока в центральной зоне весь водород не выгоре л , свойства звезды изменяются мало. В недрах звезд при температурах более 10 млн . К и огромных плотностях газ обл адает давлением в миллиарды атмосфер . В эт их условиях звезда может находи ться в стационарном состоянии лишь благодаря тому , что в каждом ее слое внутреннее давл ение газа уравновешивается действием сил тяго тения . Такое состояние называется гидростатически м равновесием . Следовательно , стационарная звезда представляет соб ой плазме нный шар , находящийся в состо янии гидростатического равновесия. Если внутри звезды температура по какой-либо причине повысится , звезда должна раздуться , т.к . возрастает давление в ее недрах. Стационарное состояние звезды характеризуетс я еще и тепловым равн о весием . Тепловое равновесие означае т , что процессы выделения энергии в недрах звезд , процессы теплоотвода энергии из не др к поверхности и процессы излучения эне ргии с поверхности должны быть сбалансированы . Если теплоотвод превысит тепловыделение , то звез да начнет сжиматься и разогреват ься . Это приведет к ускорению ядерных реак ций , и тепловой баланс будет вновь восстан овлен . Звезда представляет собой тонко сбалансированный организм , она оказываетс я саморегулирующейся системой. После выгорания водорода в це нтра льной зоне у звезды образуется гелиевое я дро . Водородные термоядерные реакции продолжают протекать , но только в тонком слое близ поверхности этого ядра . Ядерные реакции п еремещаются на периферию звезды . Выгоревшее я дро начинает сжиматься , а внешняя об о лочка - расширяться . Звезда принимает гетер огенную структуру . Оболочка разбухает до коло ссальных размеров , внешняя температура становится низкой и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клонит ься к закату. Полагаю т , что звезда типа нашего Солнца может увеличиться настолько , что з аполнит орбиту Меркурия . Правда , наше Солнце станет красным гигантом примерно через 8 млр д . лет . Так что особых оснований для бе спокойства у жителей Земли нет . Ведь сама Земля образовалась всего лишь 5 мл рд . лет назад . 11.4.2.3. От красного гиганта до белого и черного к арликов Для кр асного гиганта характерна низкая внешняя , но очень высокая внутренняя температура . С п овышение внутренней температуры в термоядерные реакции включаются все боле е тяжелые ядра . На этом этапе (при температуре свы ше 150 млн . К ) в ходе ядерных реакций осущ ествляется синтез химических элем ентов. В результате роста давлен ия , пульсаций и др . процессов красный гига нт непрерывно теряет вещество , выбрасываемое в межзвездно е пространство . Когда полност ью истощаются внутренние термоядерные источники энергии , дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. При массе < 1 , 4 массы Солнца звезда перех одит в стационарное состояние с очень бол ьшой плотностью . Такие звезды называются белыми карликами. В них электроны образуют вырожденный газ (в следствие сильного сжатия атомы оказываются н астолько плотно упакованными , что электронные оболочки начинают проникать одна в другую ), давление которого уравновешивает силы тяготен ия . Тепловые з апасы звезды постепенно истощаются и звезда медленно охлаждается , охл аждение сопровождается выбросами оболочки звезды . Молодые белые карлики , окруженные остатками оболочки , наблюдаются как пла нетарные туманности . Белый карлик как бы вызревает внутри красно го г иганта и появляется на свет , когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои , образовывая планетарную туманность. Когда же энергия звезды иссякнет , звез да начинает изменять свой цвет от белого к желтому , затем к красному : наконец , она перестане т излучать и начнет непр ерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного без жизненного объекта . Так белый карлик медленно превращается в "черный карл ик " - мертвую холодную звезду , р азмер которой обычно меньше размеров Зе мли , а масса сравнима с солнечной . Плотность такой звезды - в миллиарды раз в ыше плотности воды . Так заканчивают свое с уществование большинство звезд. 11.4.2.4 Свер хновые звезды При м ассе > 1,4 массы Солнца стационарное состояние зв езды без внутренних исто чников энергии становится невозможным , т.к . давление не мож ет уравновесить силу тяготения . Теоретически конечным результатом эволюции таких звезд дол жен быть гравитационный коллапс - неограниченное падение вещества к центру . В случае , когда отталкивание ча стиц и другие причины все же останавливают коллапс , происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образ ованием газовых туманностей. Вспышки сверхновых были зафиксированы в 1054 г ., 1 572 г ., 1604 г . Китайские летописцы с ледующим образом отметили это событие 4 июля 1054 г .: "В первый год периода Чи-хо , в пя тую Луну , в день Чи -Чу появилась звезд а-гостья к юго-востоку от звезды Тиен -Куан и исчезла более чем через год ". А в другой летоп и си было записано : "Она была видна днем , как Венера , лучи света исходили из нее во все стороны , и цвет ее был красновато-белый . Так была видна она 23 дня ". Подобные скупые записи были сделаны арабскими и японскими очевидц ами . И уже в наше время было выясне н о , что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность , я вляющуюся мощным источником радиоизлучения . Как мы уже отмечали (см .: 6.2), вспышка сверхновой в 1572 г . в созвездии Кассиопеи была отмече на в Европе , изучалась и широкий интерес не ней общественности сыграл важн ую роль в расширении астрономических исследов аний и последующем утверждении гелиоцентризма . В 1885 г . появление сверхновой звезды было отмечено в туманности Андромеды . Ее блеск превышал блеск всей Галактики и оказался в 4 млр д . раз более интенсивным , ч ем блеск Солнца. Систематические исследования позволили уже к 1980 г . открыть свыше 500 вспышек сверхновых ! Со времени изобретения телескопа ни одна вспышка сверхновой звезды не наблюдалась в нашей звездной системе - Галактике . Ас трономы наблюдают пока их только в других неимоверно далеких звездных системах , столь далеких , что даже в мощнейший телескоп звезду , подобную нашему Солнцу , в них не льзя было бы увидеть . Взрыв сверхновой - гигантский по силе взрыв старой звезды , вызванный внезапным коллапсом ее ядра , который сопровождается к ратковременным испусканием огромного количества нейтрино . Обладающие только слабым взаимодействие м , эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом простра нстве и образовали клоч ь я облаков расширяющегося газа . При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия ( порядк а 1 0 n эрг , где n = 5 0 ч 5 2 ) .Вспышки сверхновых имею т фундаментальное значение для обмена веществ ом между звездами и межзвездной средой , дл я образования химических элементов (по д воздействием мощных потоков нейтронов ), а также для рождения первичных космических л учей. Астрофизики подсчитали , что с периодом в 10 млн . лет сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике , в непосредственной близо сти от Солнца . Дозы космического излучен ия при этом могут превышать нормальные дл я Земли в 7 тысяч раз ! Это чревато серь езнейшими мутациями живых организмов на нашей планете . Так объясняют , в частности , внеза пную гибель динозавров. 11.4.2.5. Нейт ронные звезды Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела - нейтронной звезды или черной дыры . Открытые в 1967 г . новые объекты - пульсары отождествляются с теоретически предсказанными нейтронными звездами . Плотность нейтронной звез ды очень высока , выше плотности атомных ядер - 1 0 n г / куб . см , где n = 1 5. Температура т акой звезды около 1 млрд . градусов . Но нейтр онные звезды очень быстро остывают , светимост ь их слабеет . Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси . Для звезд , в ко торых магнитная ось не совпадает с осью вращения , радиоизлучение фиксируется в виде повторяющихся импульсов . Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами . В настоящее время открыты сотни нейтронных звезд . Экстремальны е фи з ические условия в нейтронных звездах делают их уникальными естественными лабораториями , представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодейств ий , элементарных частиц и теории гравитации. 11.4.3. Чер ные дыры Но есл и конечная масса бе лого карлика превы шает 2-3 массы Солнца , то гравитационный коллапс непосредственно ведет к образованию черной дыры. Черная дыра - обл асть пространства , в которой поле тяготения настолько сильно , что вторая космическая ск орость (параболическая скорость ) для находящ ихся в этой области тел должна была б ы превышать скорость света , т.е . из черной дыры ничто не может вылететь - ни излу чение , ни частицы , ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью , большей с корости света. Границу области , за которую не вых одит свет , называют горизонтом черной дыры. Для того , чтобы поле тяготения смогло "запереть " излучение , создающая это поле масса звезды должна сжаться до объема с радиусом , меньшим т.н . грав итационного радиуса r = 2 G M / c І , где G - гравитационная посто янная , c - скорость света , M - масса звезды . Гравитационный радиус чрезвычай но мал даже для больших масс (например , для Солнца , имеющего массу 2 · 1 0 n г ( n = 3 3 ) , r ~ 3 к м ). Свойства черной дыры необычны . Например , особый интерес вызывает возможность грав итационного захвата черной дырой тел , прилета ющих из бесконечности . В ньютоновской механик е всякое тело , приближающееся из бесконечност и к тяготеющей массе , описывает около нее параболу или гиперболу и (если не исп ытывает соударения с тяготеющей массо й ) снова улетает в бесконечность . Гравитац ионный захват здесь невозможен . Иначе обстоит дело в поле тяготения черной дыры . В достаточной близости от черной дыры трае ктория резко отличается от ньютоновской . Так , если скорость тела вдали от черной д ыры много меньше световой и траект ория его движения подходит близко к окруж ности с R = 2 r , то тело совершит много оборото в вокруг черной дыры , прежде чем снова улетит в космос . Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности , то его орбита будет неограничен н о навив аться на окружность . Тело окажется гравитацио нно захваченным черной дырой и никогда сн ова не улетит в космос . Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре , то после нескольких оборотов иди даже не успев сделать ни одного оборота , оно упаде т в черн у ю дыру. Когда фотоны либо частицы уходят за гравитационный радиус , они просто исчезают . Только во внешней области непосредственно у гравитационного радиуса они могут быть в идимыми , причем создается впечатление , что они как бы скрываются за занавесом и бол ь ше не появляются . Звезде с массой , равной массе Солнца , требуется лишь несколь ко секунд для того , чтобы превратиться из обычной звезды в черную дыру , а если масса равна массе миллиарда звезд , то такой процесс займет несколько дней. В черной дыре пространст во и время взаимосвязаны необычным образом . Для на блюдателя внутри черной дыры направление возр астания времени является направлением уменьшения радиуса . Оказавшись внутри черной дыры на блюдатель не имеет больше сил вернуться о братно к поверхности , так же к ак он не может повернуть назад стрелки часов , отсчитывающих время его жизни . Он н е может даже приостановиться в том месте , где оказался . Причина здесь простая : ничт о не может остановить ход времени . Черные дыры своим сильным гравитационным полем могут выз ывать бурные процессы при падении в них газа . Газ при п адении в поле тяготения черной дыры образ ует закручивающийся вокруг последней быстро в ращающийся уплощенный диск . Например , в систем е двойной звезды , одна из которых нормальн ая звезда , а вторая - черн а я ды ра : черная дыра как бы "высасывает соки " из своего напарника . При этом колоссальная кинетическая энергия частиц , разгоняемых тяг отением сверхплотного тела , частично переходит в рентгеновское излучение , и по этому и злучению черная дыра может быть обнар у жена . Вероятно , одна черная дыра уже обнаружена таким способом в рентгеновском источнике Лебедь Х -1.В целом же , по-видим ому , на долю черных дыр и нейтронных з везд в нашей Галактике приходится около 100 млн . звезд. Итак , черна дыра так сильно искривляет про странство , что она как бы отсе кает себя от Вселенной . Она может буквальн о исчезнуть из Вселенной . Возникает вопрос , куда она может исчезнуть ? Математический ан ализ показывает , что имеется разные решения . Но особенно интересно одной из них . В соответствии с ним , черная дыра может перемещаться в другую часть нашей В селенной или даже внутрь иной вселенной . Т аким образом , воображаемый космический путешестве нник мог бы использовать черную дыры для передвижения в пространстве и времени на шей Вселенной и даже про н икновени я в другую вселенную. 11.5. Остр ова Вселенной : галактики 11.5.1. Общее представление о гала ктиках и их изучении Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдате лей привлекли многочисленные светлые пятна ту манного вида , так и названные туманнос тями , видимые неизменно в одних и тех же местах в разных созвездиях . С помощью сильных телескопов Вильям Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманны х пятен , а к концу прошлого века у некоторых из них была обнаружена спиральна я форма . Но что пре д ставляют с обой эти туманности - долго оставалось загадко й . И только в 20-е годы ХХ века с помощью крупнейших в той время телескопов удалось разложить туманности на звезды . С тало ясно , что туманности - это не облака пыли , святящиеся отраженным светом , и не облака разреженного газа , а чрезв ычайно далекие звездные системы , в которых звезд несравненно больше , чем в близких к нам шаровых скоплениях . Таким образом , галактики - это гигантские звездные системы (до ~ 1 0 n , где n = 1 3 , звезд ). Такого же порядка ( n = 13) являются и массы галактик по отношению к массе Солнца. Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль . Галактику Андромеды , большую по размерам и находящуюся достаточно близк о к нам (всего в 1,5 млн . световых лет ), в состоянии даже увидеть человек с хорошим зрением : это размытое пятно в с озвездии Андромеды . В современные телескопы у дается отыскать сотни миллионов других галакт ик . Строение их весьма различно , но одна форма наиболее характерна и примечательна - уплощенный диск с выпуклостью в це нтре , откуда исходят спиральные рукава (нечто вроде огненного колеса , используемого в ф ейерверках ). Галактика Андромеды , как и наша собственная , принадлежит к спиральному типу галактик . Солнечная система расположена в о дном из спиральных рукавов Галакти к и на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра. Следует всегда помнить , что , наблюдая Вселенную , мы видим галактики не такими , к акие они есть теперь , а такими , какими они были в далеком прошлом . Ведь свет от них приходит к нам через пространство в миллионы и миллионы километров , н а преодоление которого он затрачивает миллион ы лет . Свет от ближайшей к нам галакти ки Андромеды достигает нас через 1,5 млн . лет . В большие телескопы можно наблюдать еще намного более далекие галактики , и мы видим их та к ими , какими они были миллиарды лет назад ! В настоящее вре мя наблюдается 1 0 n (где n = 1 4) галактик . А расстояния до самых дальних из них - свыше 10 млрд . световых лет. Велики не только размеры галактик и расстояния до них , велико и количество галактик , к оторые наблюдаются астрономами . Так , самой большой 6-метровый телескоп позволя ет сфотографировать миллиарды галактик (!). В хо рошо исследованной области пространства , на р асстояниях 1500 Мпк , находится сейчас несколько м иллиардов галактик . Таким образом , н аблюдаемая нами область Вселенной - это прежде всего мир галактик. Одна из центральных проблем внегалактичес кой астрономии - это определение расстояний до галактик и размеров самих галактик . До ближайших галактик , которые можно разрешить на звезды , расстоя ния определяются по их светимости . Определение расстояний до галактик и их положения на небе позволило сделать ещ е одно важное открытие . Оказалось , что бол ьшинство галактик входит в группировки , котор ые насчитывают от нескольких галактик ( группа галактик ) до сотен и тысяч галактик ( ск опление галактик ) и даже облака скоплений ( сверхскопления ). Одиночные галактики тоже наблюдаются , но они относительно редки (не более 10%). Друг ими словами , если галактики - это "острова В селенной ", то они , как правило , объеди не ны в архипелаги . Размеры галактик тоже раз личны . Есть галактики-карлики в несколько деся тков световых лет , и галактики-великаны с поперечником до 18 млн . световых лет. Средние расстояния между галактиками в группах и скопления (несколько сотен кпк ) приме рно в 10-20 раз больше , чем размер ы крупнейших галактик . Расстояния между скопл ениями галактик составляют десятки Мпк (мегап арсек ). Таким образом , галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью , чем звезды во внутригалактическо м простр анстве (расстояния м ежду звездами в среднем в 20 млн . раз бо льше их диаметра ). Наиболее исследована Местная группа галак тик , в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды . Вокруг них , в свою очередь , располагаются еще цел ые семейст ва галактик . Так , в семейств о нашей Галактики входят 14 карликовых эллиптич еских галактики , несколько внегалактических шаров ых скоплений и ряд т.н . неправильных галак тик , среди которых крупнейшие - Магеллановы Обл ака (Большое и Малое ).Недавно открыта нова я галактика , кторая находится от нас на расстоянии всего 55 тыс . световых лет . Ее назвали Сникерс (усмешка , ухмылка ). Н есколько меньшее семейство у туманности Андро меды (одна спиральная , две эллиптические и несколько карликовых ). Ближайшие соседние группы г алактик располагаются в 2-5 Мпк от Местной группы и по составу похожи на нее . В пределах 10-20 Мпк около нашей Галактики обнаружено н есколько десятков групп галактик . Ближайшее к рупное скопление галактик находится в созвезд ии Девы на расстоянии около 20 М п к . В это скопление входит около 200 г алактик средней и высокой светимости . Скоплен ие в Деве представляет собой , по-видимому , центральное сгущение еще более крупной систем ы галактик - Сверхскопления галактик . (Уже давно было замечено , что яркие галактики р а сположены по небу не беспорядочн о , а поясом , который можно назвать Млечным Путем галактик ). Общее число галактик наш его сверхскопления , исключая карликовые , около 20 000, диаметр его около 60 Мпк . Ближайшие соседи нашего Сверхскопления - сверхскопления во Льве (на расстоянии 140 Мпк ) и в Герку лесе (190 Мпк ). В настоящее время выявлено свы ше полусотни сверхскоплений галактик. Чрезвычайно многообразны и формы галактик . Типология форм галактик была разработана еще Э . Хабблом . В основном она сохранила сь и до на стоящего времени , хотя , к онечно , за прошедшие десятилетия были обнаруж ены и новые типы галактик . Он выделял три основных типа галактик : · эллиптические , имеющие круглую или эллиптическую форму ( E ) ; это наиб олее простые галактики , они не содержат го рячих звезд , сверхгигантов , пыли и газовы х туманностей ; в центре их никакого ядра нет ; · спиральные , которые Хаббл разбил на два семейс тва - обычные ( S ) и пересеченные ( S B ) . У первых - ветви выходят непосредственно из ядра ; у в торых ядро пересечено широк ой , яркой п олосой , называемой перемычкой или баром ; спира льные ветви отходят от концов бара ; · неправиль ные галактики ( I r ) , клочковатого с троения и неправильной формы ; яркость и св етимость их невелики ; изобилуют горячими свер хгигантами , газовыми туман ностями и пылью (примет , Магеллановы Облака , Большое и Мал ое ); к неправильным галактикам относятся также взаимодействующие галактики ; большинство неправи льных галактик - карлики . Форма и структу ра галактик связаны с их основными физиче скими характеристика ми : размером , массой , с ветимостью . И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным. В центрах галактики обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10% всей ее массы ). Здесь происходят выбросы большого количества вещест ва , что и приводит к интенсивному движению туч водорода от це нтра галактики . В отдельных галактиках ядро может представлять собой черную дыру (или белую ) дыру. По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны . Однако в космологических масштабах они ничтожно малы . Галактики разбросаны по Вселенной более или менее беспорядочно , если не считать того , что они обычно собраны в небольшие группы . Подобные группы галактик - "атомы " космологии . К осмология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштаба х такого или более высокого порядков . Процессы , происходящие в отдельных галактиках - хотя они могут быть очень важными ,- редко становятся существенными для космологии. 11.5.2. Наш а Галактика - звездный дом человечества Особый интерес вызывает , конечно же , вопрос о том , что собой представляет наш звездный дом - наша Галактика . (Мы пишем слово "Г алактика " с прописной буквы , когда речь ид ет о той галактической системе , к которой принадлежит наше Солнце . Когда же идет о других галактических системах или об общ е м понятии такой системы употр ебляем слово "галактика " (со строчной буквы ). То же относится и к термину "вселенная ". Мы пишем "Вселенная " с прописной буквы там , где речь идет о наблюдаемой Вселен ной , в которой мы реально живем ; там же , где мы говорим о мод е льных вселенных , мы пишем "вселенная " (со строчной буквы )). Те отдельные звезды , которые нам удается различить на ночном небе ,- просто ближайшие к нам члены нашей Галактики . Большая же часть Галактики видна лишь как размытая световая полоса , пересекающая н ебо ,- это так называемый Млечный Путь . И потому в отличие от других галакти к , нашу Галактику может легко наблюдать на небе каждый : на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути и представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики , дис к которой мы видим как бы "с ребра ". Средний телескоп поз воляет различить в Млечном Пути мириады о тдельных звезд . Для изучения структуры Галакт ики мы находимся в очень невыгодном полож ении . Мы живем в ней и видим ее из нутри . Это очень затрудняет установлен и е того , что мы могли бы выявить , бросив на нее лишь мимолетный взгляд о ткуда-нибудь издали. Наша Галактика - это гигантская звездная система , состоящая приблизительно из 200 млрд . звезд. Среди них - и наше Солнце . Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа ; она пронизана магн итными полями , заполнена космическими лучами . По форме она представляет собой достаточно правильны диск с шарообразным утолщением (б алдж ) в центре . (Это напоминает линзу или чечевицу ). Диаметр Галактики сост авляет около 100 000 све товых лет (~ 30 кпк ), а толщина ее раз в 10-15 меньше. Масса нашей Галактики составляет 2 · 1 0 n масс Солнца , где n = 1 1 .Около 1 / 1 0 0 этой массы составл яет межзвездный водород , преимущественно нейтраль ный . Возраст галактики около 15 млрд . лет. Звездн ый состав Галактики очень р азнообразный . Звезды отличаются друг от друга физическими , химическими характеристиками , характ ером орбит , возрастом и др . Есть старые звезды , молодые (около 100 тыс . лет ), а есть и звезды , рождающиеся в настоящее время . Подавля ю щее большинство звезд им еет "средний " возраст в несколько миллиардов лет . К ним относится и н аше Солнце - рядовая звезда нашей Галактики , которое расположено ближе к е е краю , примерно в 25 000 световых лет от я дра Галактики . Солнечная система обращается в округ центра Галактики со скоростью около 220 км / сек . Центр нашей Галактики лежит в на правлении на созвездие Стрельца (хотя располо жен гораздо дальше ). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн . л ет . Этот период может быть назван "г а лактическим годом ". Вся история ч еловечества по сравнению с этим периодом - только краткий миг ! Но и вся наша Гал актика вращается вокруг центра Местной систем ы галактик (примерно на 2/ 3 пути между нашей Галактикой и туманностью Андромеды , на ра сстоянии 0, 46 Мпк от Галактики ) Особый интерес для астрономов представляе т ядро Галактики . В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей . Нет там и пыли , но есть в нем нейтрал ьный водород , который по не вполне я сной причине растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью 50 км / сек . Основное излучение ядра создается оранжевыми звездами -гигантами (но не сверхгигантами ). Ядро Галактик и должно было бы казаться очень ярким , если бы его не затмевало поглощение света в массах космической пыли . Но пыль меньше поглощает инфракрасные лу чи и совсем почти не поглощает радиоволны . В центре ядра находится небольшое сгущен ие звезд с малым , но чрезвычайно компактны м и сильным радиоисточником (Стрелец А ). Бы ло высказано п р едположение , что он является черной дырой (с массой примерно в миллион со лнечных масс ). 11.5.3. Меж звездная среда Хотя в мощные телескопы нам удается увидеть тол ько галактики , в темных пространствах , разделя ющих их , несомненно присутствует вещество . Воп рос в том , сколько его и в каком состоянии оно находится . Кроме вещества В селенная насыщена излучениями и быстрыми част ицами различных типов . Сюда входят электромаг нитное и гравитационное излучения , потоки ней трино и космические лучи (состоящие из мно жества р азнообразных субатомных частиц ). Межзвездное пространство заполнено газом и пылью . Основной компонент межзвездного газа - водород . На втором месте - гелий . Значител ьно меньше в ней углерода , азота , кислород а и других химических элементов . Тяжелые э лементы попадают в Космос как остатки взрывов сверхновых звезд . Таким образом , меж звездная среда - это вещество и поля , запол няющие межзвездное пространство внутри галактик. Межзвездная среда тесно связана со зв ездами . Из межзвездного газа образуются звезд ы , котор ые на поздних стадиях эволюции вновь отдают часть своего вещества межзв ездной среде . Обмениваясь со звездами веществ ом , межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд тяжелыми элементами . Звезды поставляют в межзвездную среду электромагнит ное и з лучение и космические лучи. Примерно 85% всех тяжелых элементов возникло на заре образования нашей Галактики , т.е . примерно 9-10 млрд . лет тому назад . В это время происходит интенсивный процесс звездоо бразования . Много возникало и сверхновых звез д . Однако 11-13% тяжелых элементов имеют во зраст 5 млрд . лет. В межзвездной среде астрофизики наблюдают и различные органические соединения : углевод ород , спирты , альдегид , эфиры , аминокислоты и другие соединения , в которых молекулы содер жат до 18 атомов углерода , а самые тяж елые имеют массу до 123 единиц масс водорода . В настоящее время в межзвездной среде открыто 35 органических молекул . Встречаются чаще всего они в местах наибольшей концентрац ии газопылевого вещества. Органические молекулы из межзвездной сред ы могл и способствовать возникновению прос тейших форм жизни на Земле. 11.5.4. Пон ятие Метагалактики Совокупно сть галактик всех типов , квазаров , межгалактич еской среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Вселенной. Одно из важнейших свойств Метага л актик - ее постоянное расширение , "разлет " скопл ений Галактик . Об этом свойстве Метагалактик свидетельствует "красное смещение " в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое , независимое от направления , внегалакти ческое тепловое излучение, соответствующее т емпературе ~ 3 K). Из явления расширения Метагалактики вытек ает важное следствие : то , что в прошлом расстояния между галактиками были меньше . А если учесть , что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными г азовыми облаками , то очевидно , что миллиа рды лет назад границы этих облаком смыкал ись и образовывали некоторое единое однородно е газовое облако , находившееся в постоянном расширении. Важным свойством Метагалактики является з акономерность распределения в ней вещества . М ате рия в масштабах Метагалактики распреде лена равномерно . (Основная масса вещества соср едоточена в звездах .). В современном состоянии Метагалактика - однородна и изотропна . Это значит , что свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактик и (однородность ) и по всем направ лениям (изотропия ). Была ли она такой в прошлом - маловероятно . В самом начале расширен ия Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли сущест вовать . Поиски следов анизотропии и неоднород нос т и прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем современной в негалактической астрономии. Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство ? Многие уч еные так и считают . Они утверждают единств енность всей нашей расширяюще йся Метагала ктики - Вселенной . Но такие утверждения невольн о напоминают космологию Аристотеля , многократно повторявшиеся заявления о единственности Земли со светилами вокруг нее , единственности С олнечной системы , единственности нашей Галактики и т.д . И по т ому мысль о множественности "метагалактик ", мно жественности вселенных , каждая из которых име ет свой собственный набор фундаментальных физ ических свойств материи , пространства и време ни , свои тип нестационарности , организации и др. Реально существует множе ство Вселенны х (Метагалактик ), образовавшихся в результате "Б ольшого Взрыва ", связанных между собой некими материальными "каналами ", о которых мы пок а можем только догадываться (понятие о топ осах и др .), и для познания которых , ско рее всего понадобится не к ая "новая физика " (если она вообще возможна ). 11.6. Всел енная в целом 11.6.1. Особенности современной космо логии Вселенная как целое является предметом особой астр ономической науки - космологии , имеющей древнюю историю , ее истоки уходят еще к антично сти . Только в Х IХ в . и особенно в ХХ веке , когда был достигнут существенный прогресс в понимании природы и эволюции Вселенной как целого ситуация изменилась к ардинально . Проблемы космологии современной науко й решаются с помощью исключительно научных понятий , п р едставлений , теорий , а также приборов и инструментов , позволяющих понять , какова структура Вселенной и как о на сформировалась . Современная космология - это сло жная , комплексная и быстро развивающаяся сист ема естественнонаучных (астрономия , физика , химия , и др .) и философских знаний о Вс еленной в целом , основанная как на наблюда тельных данных , так и на теоретических выв одах , относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной . Теоретико-методологический фундамент современн ой космологии со ставляют основные физичес кие теории (теория тяготения , квантовая теория , теория электромагнитного поля и др .), а также философские принципы и представления . Эмпирические данные представлены главным образ ом внегалактической астрономией . Эти данные с видетел ь ствуют о том , что мы ж ивем в эволюционирующей и расширяющейся Вселе нной. Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект ? Современная космология в основном исходит из предположения , что на этот в опрос следует ответит ь положительно . Инач е говоря , она исходит из предположения , чт о глобальное движение космоса подчиняется тем же самым законам , которые управляют повед ением его отдельных составных частей . Какие силы регулирует космическое движени е ? Только электромагнитная и гравитационная силы являются в достаточной степени даль нодействующими , чтобы влиять на таких громадн ых расстояниях . Для крупных объектов - даже в рамках Солнечной системы - гравитация дале ко опережает электромагнетизм по силе своего воздействия . 11.6.1. 1. Понятие релятивистской космологии Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие м асс на больших расстояниях , а значит динам ику космической материи в масштабах Вселенной , то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения . Теоретическим ядром современной космологии выступает ре лятивистская теория тяготения , поэтому современную космологию называют релятив истской космологией. Ньютоновская физика рассматривала пространст во и время как "арену ", на которой разы грываются физические процессы ; он а не связывает воедино пространство и время . Согла сно общей теории относительности (см . 9.2), распред еление и движение материи изменяют геометриче ские свойства пространства-времени и , с другой стороны , сами зависят от них ; гравитацион ное поле проявляется к ак искривлени е пространства-времени (чем значительнее кривизна пространства-времени , тем сильнее гравитационное поле ).Уравнения гравитационного поля в ОТ О представляют собой систему десяти уравнений . В отличие от теория тяготения Ньютона , в которой есть о д ин потенциал гравитационного поля , который зависит от единственной величины - плотности массы , в теор ии Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы , но также потоком массы и потоком импульса. Пер вую релятивистскую космологическую модель попытался построить А . Эйнштейн . В соответствии с предложенной Эйнштейном моделью Вселенная должна была быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного ци линдра. Вселенная Эйнштейна конечна , но тем не ме нее повсюду одинакова ; она имеет конечные размеры , но не имеет границ ! Та кая картина Вселенной явно возможна только в общей теории относительности с ее ис кривленным пространством . В модели Эйнштейна трехмерное пространство также обладает топологие й сферы, только , разумеется , не в двух , а в трех измерениях . Поэтому у вселенной Эйнштейна пространственный объем кон ечен , и галактики распределены в нем равно мерно в соответствии с космологическим принци пом , но границы или края у этого прост ранства нет . Оно не ра с пространено бесконечно во все стороны , а замыкается само на себя и , подобно поверхности с феры , допускает "кругосветные " путешествия . Это означает , что обитатель такой вселенной мог бы послать световой сигнал в любом нап равлении и потом обнаружить , что сиг н ал , обойдя всю вселенную , вернулся к нему с противоположной стороны. Мысль Эйнштейна о замкнутой , конечной , но неограниченной вселенной выглядела , безусловно , новой и странной . Людям часто довольно трудно представить себе подобное , и они задают вопрос : что же находится "снару жи " конечной вселенной ? Этот вопрос столь же бессмыслен для трехмерных существ , как и вопрос , что находится "вне " поверхности с феры , для плоских существ , вынужденных постоян но жить на сферической поверхности . Для вс еленной Эйнштейна не т понятия "снару жи ", потому что , если бы существовали "снару жи " и "внутри ", между ними должна была б ы проходить граница . В модели Эйнштейна та кой границы нет . Каждая точка эквивалентна любой другой , и ни одна из них не ближе ни к "центру ", ни к "краю ". Про с то ни центра , ни края не существует. 11.6.1.2.Нест ационарная релятивистская космология С крит икой предложенной Эйнштейном космологической мод ели выступил наш отечественный выдающийся мат ематик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925). И менно А.А . Фридман , скромно опубликовавший свою работу в 1922 г ., впервые сделал из ОТО космологические выводы , име ющиеся поистине революционное значение : он заложил основы нестационарной рел ятивистской космологии. Фридман показал , что теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решени ем гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей . А в об щем случае решения зависят от времени. Кроме того , Фридман показал , что решения такой теоретической модели не могу т быть однозначными и не могут д а ть ответа на вопрос о форме Вселенной , ее конечности или бесконечности . Исходя из противоположного постулата (о возможном изме нении радиуса кривизны мирового пространства во времени ), Фридман нашел нестационарные реше ния "мировых уравнений " Эйнштейна . Вс третив сначала решения Фридмана с большим недоверием , Эйнштейн затем убедил ся в его правоте и согласился с крити кой молодого физика . Нестационарные решения у равнений Эйнштейна , основанные на постулатах однородности изотропии , называются фридмановскими косм ологическими моделями. А . А . Фридман показал , что решения "мировых уравнений " ОТО для Вселенно й позволяют построить три возможные модели Вселенной . В двух из них радиус кривизн ы пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели - из точ ки ; в другой - начиная с некоторого конечного объема ). Третья модель рисовала карт ину пульсирующей Вселенной с периодически изм еняющимся радиусом кривизны . Выбор моделей за висит от средней плотности вещества во Вс еленной. Но определение средней плотности в ещества во Вселенной пока не на дежно . Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще виды материи , дающие свой вклад в среднюю плотность . И тогда на "вооружение " придется брать "закрытую " модель Вселенной , в которой предполагается , что расширение в будущем сменится сжатием. 11.6.1.3. Косм ологический постулат Представл ение о нестационарности Вселенной удивительным образом сочетается в современной космологии с представлением об однородности Вселенной . Достаточно неожиданно то , что Вселенная ока зывается однородной в самых различных с мыслах. Во-первых , Вселенная однородна в том смысле , что структурные детали далеких звезд и галактик , физические законы , которым они подчиняются , и , естест венно , определенные величины (такие , как заряд электрона ), по-видимому , с большой степен ью точности одинаковы повсюду , т . е . те же , что и в нашей области Вселенной , в ключая , конечно , и Землю . Типичная галактика , находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас , выглядит в основном так же , как наша . Спектры атомов , а следов а тельно , законы химии и атомной физики там идентичны известным на Земле . Этот обстоятельство позволяет уверенно распространять открытые в земной лаборатории законы физ ики на более широкие области Вселенной. Во-вторых , говоря о космической однородности Вселе нной , имею т в виду однородность распределения вещества . Как видно из предыдущего , вещество Вселе нной разбросано в виде сгустков . Оно собра но в звезды , которые в свою очередь гр уппируются в скопления , и так вплоть до масштабов галактик . Сами галактики такж е расположены группами . Некоторые космологи утверждают , что такое объединение продолжает ся до бесконечности и имеет характер иера рхии , в которой каждое последующее образовани е отделено от ему подобных все большими промежутками пустого пространства . Однако б олее принято считать - и это с уждение подкреплено рядом достаточно надежных результатов наблюдений , - что подобное объединен ие останавливается на скоплениях галактик , а более крупномасштабное распределение вещества одинаково во всей Вселенной . Это распред е ление как однородно (одинаково во всех областях ), так и изотропно (одинаково во всех направлениях ). Предпо ложение о том , что Вселенная в крупных масштабах однородна , разделяется теперь большин ством (хотя и не всеми ) космологов ; оно известно как космологиче ский постулат . Представление об однородности Вселенной е ще раз доказывает , что Земля не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения . До Коперника человек помещал Зем лю в центр Вселенной , а все прочие неб есные тела должны были обращать ся вок руг нее . Открытие Коперника , доказавшего , что Земля движется вокруг Солнца , навсегда разр ушило эту иллюзию . Но еще долго не был о уверенности у астрономов в том , что с Землей , Солнцем , нашей Галактикой не свя зана какая-нибудь исключительность . Ныне м ы сль о том , что наша область Вселе нной могла бы быть чем-то нетипичной , счит ается по меньшей мере еретической . Физические условия в ближайших к нам областях В селенной более не рассматриваются как особые ; они характерны для любого "среднего " мест а во Вселен н ой . Пусть наши Зем ля , Солнце или Галактика кажутся чем-то ис ключительно важными людям , для Вселенной в целом они не представляются ни важными , ни исключительными. 11.6.1.4. Возр аст Вселенной Представл ение о Вселенной было широко распространено среди астрон омов лет сто назад . С читалось ; что во всем бесконечном пространств е всегда были равномерно разбросаны постоянно светящиеся звезды . ХХ век внес в это представление существенные коррективы. В 1929 г ., американский астроном Эдвин Хаб бл (1889 - 1953) огласил н екоторые результаты измер ений спектра света , приходящего к нам от удаленных галактик . Изучение спектрального с остава света далеких звезд показало системати ческий сдвиг спектральных линий в красную область (т . е . к низкочастотному концу ви димого спектра ). Х аббл обнаружил , что это так называемое красное смещение возр астает пропорционально расстоянию до галактики . Стало очевидным , что удаленные галактики ра збегаются от нас "в организованном порядке ": чем дальше галактика , тем быстрее она у даляется . Отсюда сле д овал совершенно однозначный вывод - Вселенная находится в состоянии расширения . Это неожиданное открытие в корне изменило все представления космоло гии . Расширяющаяся Вселенная - это Вселенная из меняющаяся , у нее есть биография , возможно даже с датами рожд е ния и смер ти . Закон Хаббла дает возможность определять возраст Вселенной . По современным представле ниям он оценивается от 10 до 20 миллиардов ле т . Нестационарные модели релятивистской космологи и позволяют уточнить эти данные . В соответствии с наиболее рас прос траненным представлением возраст Вселенной от сингулярности до современной эпохи составляет ~ 15-20 м лрд . лет . 11.7. Эвол юция Вселенной 11.7.1. Модель горячей Вселенной В осно ве современных представлений об эволюции Всел енной лежит модель "горячей Всел енной ", основы которой были заложены в трудах ам ериканского физика русского происхождения Джордж а (Георгия Антоновича ) Гамова (1904-1968) и его сот рудниками в конце 40-х годов ХХ века . Эт у концепцию еще называют концепцией "Большого Взрыва ". В соответствии с этой концепцией на ранних стадиях расшир ения Вселенная характеризовалась не только вы сокой плотностью вещества , но и его высоко й температурой. Ключ к пониманию ранних этап ов эволюции Вселенной скрыт в гигантском количестве теплоты , выделившейся при Боль шом взрыве. В своем простейшем варианте теория горячей Вселенной предполага ет , что Вселенная спонтанно возникла в рез ультате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой тепло вой (внутренней ) энергией (состояние сингулярности ). По мере расширения Вселенной температу ра падала - сначала быстро , а затем все медленнее - от бесконечно большого значения до довольно низкой величины , при которой воз никли условия , благоприятные для образования звезд и галактик . На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов , что препятствовало образован ию атомов . Таким образом , примерно 1 млн . лет космическое вещество сохраняло форму разогре той плазмы , состоящей из ионизированных водор ода и гелия . Лишь когда температура Всел е нной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца , возникли первые атомы . Таким образом , атомы - это реликты эпохи , наступившей через 1 млн . лет после Большого взрыва. Модель горячей Вселенной получи ла экспериментальное подтверждение после о ткрытия в 1965 г . "реликтового излучения " - микроволнового фонового излучения с температурой ~ 3° K. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обили е гелия , превышающее повсеместно 22% по массе , а также обнаруженное в межзвездном газе н еожиданно высокое обилие дейтерия , про исхождение которого можно связать лишь с ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения , можно провести экстраполяцию в про шлое , используя хорошо изв естные и про веренные законы механики , статистической , атомной и ядерной физики , физики элементарных час тиц . (Фундаментальным открытием самых последних лет , конца ХХ в . является обнаружение пр остранственной анизотропии реликтового излучения , фона Вселенной. Это расширяет возможности релятивистской космологии , делает несущественным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов - рассеяние электро магнитных волн на свободных электронах , на холодном молекулярном газе , поглощение пылью и др .) Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать эксперимента льно . На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия , существовавшие в то время , когда возраст Вселенной составлял 10 n с , где n = - 1 2 , когда температура достигала 10 n К , где n = 1 6 , а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была "сжата " до размеров Солнечной системы . За этими гран ицами возможна только теоретическая экстраполяци я известных нам физических законов . В цело м он а не вызывает сомнений впло ть до того момента , когда начинают проявля ться квантовые свойства гравитации . Но с некоторого уровня вообще возника ет вопрос о возможности применения для оп исания эволюции Вселенной современных физических теорий . Вблизи сингулярн ости решения классических уравнений неприменимы , поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравит ации , а свойства вещества в этом состоянии неизвестны . Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи , п лотность и температ у ра которой ме ньше планковских (r = 1 0 n г / куб . см , где n = 9 3 ; T ~ 1 0 n К , где n = 3 2 . Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной t ~ 1 0 n с , где n = - 4 3 . В эту эпоху физические условия были та ковы , что для их описания требуетс я еще несозданная квантовая теория тяготения. 11.7.2. Бол ьшой взрыв : инфляционная модель Возможнос ть установить процессы , происходящие на первы х секундах и минутах существования Вселенной , безусловно , следует рассматривать как блестя щее достижение современного естествознания . Возможность моделировать первой секунды означает приближение к самой главной загадке прир оды - самому акту "сотворения мира "! Первые с екунды Вселенной - это время таинственных сост ояний вещества и неведомых сил природы . Ко нечн о же , здесь следует быть ост орожным . Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях , теоретическом моделировании , во многом спорных и умозритель ных. Первая и важнейшая проблема - это проб лема того, чем был вызван Большой вз рыв ? Большой взрыв моделируется т.н. гипотезой инфляционной Вселенной . В основе этой гипотезы - представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического от талкивания невероятной величины , которая см огла разорвать некое начальное состояние Вселенной и вызвать ее расширение , продол жающееся и по сей день . Кроме того , нач альное состояние Вселенной является вакуумным . Физический вакуум - это форма материи , лишенная вещества и излучения , но характеризующа яся активностью (постоянно "кипит ", но не выкипает ) и способностью нахо дится в одним из многих состояний с с ильно различающимися энергиями и давлениями , причем эти давления - отрицательные . Отрицательные давления и создают гигантскую силу косми ческого отт а лкивания , которая и вы зывает безудержное и стремительное расширение одной или нескольких вселенных , каждая из которых характеризуется , допустим , своими фунда ментальными постоянными . (О концепции множественно сти Вселенных . См .: Розенталь И.Л . Вселенная и ч а стицы . М ., 1990) Подобное расширение Вселенной осуществляется по особому закону : каждые 1 0 n сек , где n = - 3 4, все области Вселенной удваивают свои разме ры , затем этот процесс удвоения продолжается в арифметической прогрессии . Такой тип ра сширения и был назван "инфляцией ". Такое быстрое расширение и означает , что все части Вселенной разлетаются , как при взрыве . А это и есть Большой Взрыв ! В пер иод квантовой космологии , т . е . с 1 0 n с , гд е n = - 4 3 , по 1 0 n с , где n = - 3 2 , произошло , по-видимому , и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной . Но фаза инфляции не может быть дл ительной . Отрицательный вакуум неустойчив и с тремится к распаду . Когда распад осуществляет ся , отталкивание исчезает . Это значит , что инфляция исчезает и Вселенная переходит к во власть обычного гравитационного притя жения . "Часы " Вселенной тогда показывали всего 10 n сек (где n = - 34).Но благодаря полученному пер воначальному импульсу , приобретенному в процессе инфляции , расширение Вселенной , которое мы с ейчас наблюдаем , продолжается и н еуклонно снижается . Постепенное замедление расшир ения Вселенной - это единственный след , который сохранился до настоящего времени от моме нта Большого взрыва. В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной . Но с окон чание м фазы инфляции произошло высвобождение огром ных запасов энергии , сосредоточенных в исходн ом физическом вакууме . Когда вакуум распался , колоссальная энергия высвободилась в виде в виде излучения , которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до темпер а тур ы 1 0 n К , где n = 2 7 . С этого момента и начинае тся эволюция "горячей Вселенной ". Благодаря эне ргии возникло вещество и антивещество , затем Вселенная стала остывать и постепенно ст али "кристаллизовываться " все ее элементы , набл юдаемые сегодня. Несмотр я на то что инфляционная модель разработана пока только частично , те м не менее она позволяет успешно объяснит ь ряд фундаментальных космологических закономерн остей . Большой взрыв перестал быть загадкой , лежащей за пределами естествознания. 11.7.3. Пер вые се кунды Вселенной Ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабора торию природы , в которой энергия , высвободивша яся в результате Большого взрыва , пробудила физические процессы , не воспроизводимые в з емных условиях . Следующий этап рождения Вселенной свя зан с так называемой эрой Великого объединения : возраст Вселенной всего лишь 10n с , где n = - 3 2 , а температура около 10n К , где n = 2 9 . В этот момент Космос был заполнен "супо м " из странных , неведомых нам частиц , в том числе чрезвычайно массивных . Ва ж нейшими составляющими экзотического "супа " были , вероятно , сверхмассивные частицы - переносчик и взаимодействия в теориях Великого объединен ия , так называемые Х и У - частицы . Имен но эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества . По оценкам эта асимметрия характери зуется отношением (10n + 1): 10n , где n = 9 , т.е . на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица . Несмотря на малость этого эффекта , он играет решающую роль . По мер е остывания Вселенной антивещество а н нигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало . "Почти ", но не все , поскольку имелся избыток вещества над антивеществом в одну частицу на милли ард . Именно этот мизерный остаток и послуж ил материалом , из которого построена вся В селенная , в к лючая человека . Если б ы этого остатка не было , то мир был бы практически "пустым ", т.е . заполнен только полем , но не веществом . Можно сказать , что вещество возникло благодаря оплошности п рироды . Именно в эти самые ранние моменты развития Вселенной сложила с ь ее современная структура. Таким образом , подавляющая часть вещества , возникшего в процессе Большого взрыва , а ннигилировала в первые секунды Вселенной , а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество . (Теперь понятно , почему во В селенной так мало ан тивещества .) Исчезнув , оно превратилось в энергию : в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (и ли протон ) возникало около миллиарда гамма - квантов . В результате расширения Вселенной это гамма-излучение "остыло ", образовав к насто ящему времени т а к называемое фоно вое тепловое излучение , которое составляет зн ачительную часть энергии Вселенной . Спустя 10n с , где n = - 1 2 , после Большого взрыв а температура была столь высока , что тепло вой энергии оказалось достаточно для рождения всех известных част иц и античастиц , причем такой плотности , что установилось ра вновесие , при котором энергия равномерно расп ределялась между всеми видами частиц . На э той стадии характер вещества во Вселенной резко отличался от всего , что мы можем непосредственно наблюдать : а дроны н е имели индивидуальных свойств ; протоны и нейтроны не существовали как различные объект ы ; вещество представляло собой "кварковую жидк ость "; не различались слабое и электромагнитно е взаимодействия ; такие частицы , как электроны , мюоны и нейтрино , не с уществова ли в обычном виде ; свойства фотонов переме шаны со свойствами W и Z -частиц . Такое состо яние Вселенной , заполненной таинственной жидкость ю и населенной неведомыми нам частицами , в последующие времена никогда не повториться . Однако вещество не могл о продолжи тельно существовать в столь нестабильной фазе . Падение температуры ниже 10n К (где n = 15) вызыв ает внезапный фазовый переход , напоминающий з амерзание воды и образование льда . Результато м этого перехода явилось возникновение извест ных нам частиц - электронов , нейтрино , фотонов и кварков , которые теперь вполне различимы . В этот момент нарушается калиб ровочная симметрия , а электромагнитное взаимодейс твие отделяется от слабого. Следующий фазовый переход происходит чере з одну миллисекунду после Большо го вз рыва и при Т =10n К ( где n = 13) приводит к конденсации кварков . Кварки объединяются в гр уппы (попарно или по три ) и образуются адроны (протоны , нейтроны , мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы ). При Т ~ 2 · 1 0 n K (где n = 1 0) электронные не йтрино перестают взаимодействовать с частицами . Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом , мир для них оказывается практически прозрачным ; они легк о перемещаются во Вселенной и их энергия уменьшается только из-за ее расшире н ия . К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К . Обнаружение этого излучения будет велик им достижением астрономии . Но пока , к сожа лению , методы обнаружения таких реликтовых не йтрино не разработаны . По мере дальнейшего пад ения темпе ратуры аннигилировали , создавая интенсивное гамма- излучение , все оставшиеся античастицы , и вещес тво превратилось в знакомую нам смесь про тонов , нейтронов , электронов , нейтрино и фотоно в . С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия , ко т орый и начинается через несколько секунд после Бо льшого взрыва. 11.7.4. От первых минут Вселенной до образования зв езд и галактик Методом математического с использованием данных ядерно й физики астрофизикам удалось воспроизвести д етали ядерных процессов , пр оисходивших в первые минуты существования Вселенной . (См .: Вайнберг С . Первые три минуты . Современный взгляд на происхождение Вселенной . М ., 1981) Согласно полученным результатам , в конце первой секунды температура достигала 10n К , где n = 10 . При такой в ысокой температуре с ложные ядра существовать не могут . Тогда в се пространство было заполнено хаотически дви жущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами , нейтрино и фотонами . Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии минут ы температура упал а на два порядка , а спустя еще несколь ко минут стала ниже уровня , при котором возможны ядерные реакции . В этот относитель но короткий (несколько минут ) промежуток време ни протоны и нейтроны могли объединяться , образуя сложные ядра. В тот пе риод основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия , каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов . Поскольку протоны немного легче нейтронов , они присутствовали в несколько бол ьшем количестве и по заве р шении синтеза гелия часть протонов оставалась св ободной . Образовавшаяся плазма состояла примерно на 25 % из ядер гелия и на 75 % из ядер водорода (протонов ). Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной . Вели кое счастье для нас , что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами . Благодаря ему оста лись во Вселенной несвязанные протоны , и в последствии образовался водород , без которого не светило бы Солнце , не было бы воды , не могла возникнуть жизнь . Н е было бы жизни , не было бы и человеч ества . Так наше существование и сама возмо жность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым , начальными моментами Вселенно й . После стадии термоядерных реакци й температура вещества еще настолько высока , чт о оно находится в состоянии пл азмы еще сотни тысяч лет , вплоть до пе риода рекомбинации (T ~ 4 000 K), когда протоны присоединяют электроны и превращаются в нейтральный в одород . Несколько раньше образовался нейтральный гелий . Как полагают , из этих первичны х водорода и гелия , находившихся в газообразном состоянии , образовались первые звезды и галактики Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше , чем в настоящую эпоху , из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовы е сгустки - протогалактические сгущения . Постепенно о ни фрагментировались , в них образовывались ме ньшие сгустки вещества . Из таких сгустков разной массы , имевших определенный вращательный момент , постепенно сформировались звезды и галактики . Расширение Вс е ленной опред елило разлет галактик , которые сами практичес ки не расширяются. 11.7.5. Обр азование тяжелых химических элементов Таким образом , согласно современным космологическим пре дставлениям , атомы существовали не всегда : они являются реликтами физических процессов , происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли . Атомы - это ископаемые космоса . Первооснову космического вещества с оставляет водород , на который вместе с гел ием приходится почти 100% всех атомов , тогда как на каждый из остальн ы х пр имерно 90 элементов - лишь исключительно малая д оля . На начальных стадиях существова ния Вселенной космическое вещество практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса . Такие элементы - это "зола " ядерных "костров ", пылающих в недрах звезд. Ведь как мы уже отмечали , ядро звезды пред ставляет собой термоядерный реактор , в которо м горючим служат в основном ядра водорода (протоны ). Огромная температура внутри звезды заставляет протоны интенсивно двигаться и , преодолевая электростатическое отт алк ивание , соударяться друг с другом . Когда протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия , стано вится возможным их слияние (синтез ). Ядро , с остоящее из двух протонов , неустойчиво , но если один из протонов (в результате слабо го взаимодействия ) превратится в нейтр он , то образуется устойчивое ядро дейтерия ; при этом высвобождается энергия , способствующа я поддержанию высокой температуры в недрах звезды . Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий . В ходе сле д ующих один за другим про цессов синтеза сначала образуется углерод , а затем и все более сложные ядра . По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представлена с лоями различных химических элементов , каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза . Так на протяжении своей "жизни " звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в храни лище тяжелых химических элементов . На заключительном этапе эволюции такой звезды ядерные реакции уже не в состоя н ии поддерживать необходимые значения тем пературы и давления , которые обеспечивали бы ее устойчивость , постепенно нарастает неусто йчивость звездной массы . В результате гравита ция , выйдя из-под контроля , вызывает мгновенное сжатие (коллапс ) звезды . Гигантск и й выброс энергии буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство , разб расывая тяжелые элементы по просторам галакти ки . Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой . Каждый взрыв сверхно вой обогащает галактику тяжелыми элементами , из к оторых впоследствии и могут образ оваться планетные системы типа Земли , на к оторых возможно зарождение и эволюция жизни . За всю историю развития нашей Галакти ки в ней вспыхнуло примерно один млрд . сверхновых звезд ! 11.7.6. Сце нарии будущего Вселенной Любоп ытно знать не только прошлое Вселенно й , но и иметь представление о том , что будет с нашей Вселенной в необозримом будущем . Тем более , что это будущее не менее поразительно , чем ее прошлое . Теоретич еское моделирование будущего Вселенной существен но различа е тся в "открытых " и " закрытых " ее моделях. Напомним , что "закрытые " модели предполагаю т , что в будущем расширение Вселенной смен ится ее сжатием . Если нынешний этап расшир ения Вселенной в будущем сменится сжатием , то можно предположить , что примерно через 30 млрд . лет она начнет сжиматься и должна через 50 млрд . лет вновь вернуться в сингулярное состояние . Таким образом , полн ый цикл расширения и сжатия Вселенной сос тавляет примерно 100 млрд . лет ! Таким образом , Вселенная предстает как закрытая система , испыта вшая множество эволюционных циклов . При переходе от одного цикла к другому какие-то общие параметры Вселенной (Метагалактики ) изменяются . Эти измене ния отражаются очевидно в смене фундаментальн ых постоянных. Совершенно иначе предстает будущее Вселен ной в о ткрытых моделях . В соответствии с открытыми сценариями многие звезды ост ынут уже через 1 0 n лет (где n = 14). Остывание звез д достаточно быстро (уже через 10 n лет , где n = 15) приведет к тому , что планеты начнут о трываться от своих звезд , а звезды покида т ь свои галактики . Примерно через 10 n лет (где n = 19), большая часть звезд покинут свои галактики ; центральные области Галактик и коллапсируют , образуя "черные дыры ". Так г алактики прекращают свое существование , звезды превращаются в "черные карлики ". Даль нейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна . Если обнаружится , что протон действительно нестабилен и распадается через 10 n лет (где n = 32), на g - квант и нейтрино , то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино и квантов света с убы в ающей энергией. Иначе разворачивается сценарий в том случае , если протон стабилен . Тогда примерно через 1 0 n лет (где n = 6 5), любое твердое вещество превратиться даже при абсолютном нуле в жидкость . Все оставшиеся черные карлики ста нут жидкими каплями . Где-то через 1 0 n лет (где n = 1 500), любое вещество станет радиоактивным , а все жидкие капли - бывшие звезды стану т железными . А черные дыры постепенно испа ряются и превращаются в длинноволновое излуче ние . От грандиозной и разнообразнейшей Вселен ной ос т анутся только жидкие холод ные железные капли ! Что же дальше ? Пройдет невообразимое ч исло лет , которое можно выразить числом 1 0 n ( где n = 1 0 n ° , а n ° = 2 6), пока такие железные ка пли не превратятся в "черные дыры ". Эти уже последние "черные дыры " за относител ьно небольшой промежуток времени 10 n лет (где n = 6 7) испарятся , превратив Вселенную в поток св ерхдлинноволновых квантов и нейтрино малых эн ергий . Такое состояние - состояние окончательной "смерти " Вселенной . 11.8. Жизн ь и разум во Вселенной : проблема вне земных цивилизаций 11.8.1. Понятие внеземных цивилизаций . Вопрос об их возможной распространенности В посл едние десятилетие , на фоне наката в массов ом сознании очередной исторической волны мист ицизма , широкое распространение получил вопрос о вн еземных цивилизациях , их поисках и контактах с ними . Увлечение поисками НЛО и страстное ожидание пришельцев из вн еземных цивилизаций чуть ли не стало пова льным . Подчас это увлечение приобретает явные черты массового психоза - чуть ли не е жемесячно в средс т вах массовой ин формации (в том числе и достаточно серьезн ых ) появляется "информация " о проявивших себя инопланетянах , контактах с ними , и даже об умыкании ими землян прямо в центрах многомиллионных городов !? Ширятся слухи о на чатой операторами НЛО эвакуац и и з емлян в просторы Вселенной ... Нет числа соо бщениям о найденных доказательствах посещения Земли представителями высокоразвитых разумных цивилизаций в прошлом ... Занимается ли вопросом о внеземных ци вилизациях современная наука ? И если занимает ся , то как она его решает ? Прежде всего , следует отметить , что вопрос о вн еземных цивилизациях имеет свою научную поста новку . И научная постановка существенно отлич ается от его трактовок массовым , обыденным , вненаучным сознанием . Но сначала о том , что мы понимаем п о д внеземными цивилизациями . Внеземные цивилизац ии - общества разумных существ , которые могут возникать и существовать вне Земли (на других планетах , космических телах , в иных Вселенных , средах и др .). С точки зрения современной науки есть объективные основ ания для предположения о возможности существования внеземных цивили заций . Таким основаниями выступают : представление о материальном единстве мира ; о развитии , эволюции материи как всеобщем ее свойств е ; данные естествознания о закономерном , естес твенном ха р актере происхождения и эволюции жизни , а также происхождении и эволюции человека на Земле ; астрономические данные о том , что и Солнце - типичная , рядовая звезда нашей Галактики и нет н икаких оснований для его выделения среди множества других подобных звез д ; и в том же время астрономия исходит из того , что в космосе существует большое разнообразие физических условий , что может пр ивести в принципе к возникновению самых р азнообразных форм высокоорганизованной материи. Вместе с тем , надо иметь в виду , что далек о не на всякой планете может возникнуть жизнь . Для возникновения ж изни необходим сложный комплекс условий . Во-пе рвых , для возникновения (посредством естественного отбора ) жизни необходимы значительные интерв алы времени ; поэтому жизнь может возникнуть толь к о вокруг старых звезд , при чем , старых звезд не первого , а второго поколений . Ведь именно рядом с такими з вездами могут быть остатки тяжелых элементов , оставшиеся после взрывов сверхновых звезд . Во-вторых , на планете должны быть соответст вующие температурн ы е условия : слишком высокая или слишком низкая температуры и сключают появление жизни . В-третьих , чтобы на планете могла возникнуть и развиваться жиз нь , ее масса не должна быть слишком ма ленькой . Ведь в этом случае планета быстро теряет свою атмосферу , кото р ая попросту испаряется ("диссипация "). Чем легче газ , тем быстрее он уходит за пределы планеты . С другой стороны , масса планеты н е должна быть очень большой . Ведь такие планеты удерживают свою первоначальную атмосфе ру (из водорода и гелия ) и не дает возмо ж ность изменения состава этой исходной атмосферы. Четвертое важное условие образования жизн и - это жидкая оболочка на ее поверхности . Ведь первичные формы жизни скорее всего возникли в воде . И , наконец , на планет е должны быть условия для возникновения с ложн ых молекулярных соединений , на основе которых могут протекать разнообразные химиче ские процессы . В результате учета всех эти х условий оказывается , что лишь у 1-2% всех звезд в Галактике могут быть планетные системы с явлениями жизни . Иначе говоря , п ри сам ы х оптимальных оценках окол о 1 млрд . звезд могут иметь планетные систе мы , на которых в принципе возможна жизнь. Одним из аргументов в пользу того , что внеземные цивилизации - явление очень р едкое , выдвигается отсутствие видимых проявлений их активности . Но это утверждение с амо по себе тоже недостаточно строгое . Оно определяется во многом масштабом развития нашей цивилизации , в том числе и уровне м развития средств астрономических наблюдений. 11.8.2. Тип ы контактов со внеземными цивилизациями Тема к онтактов со внеземными цивилизациями - пожал уй , одна из самых популярных в научно-фант астической литературе и кинематографии . Она и вызывает , как правило , самый горячий инте рес у поклонников этого жанра , всех , интер есующихся проблема Мироздания . Но художественное во о бражение здесь должно быть подчинено "жесткой " логике рационального анализ а . А такой анализ показывает , что возможны следующие типы контактов : 1. непосредственные контакты , т . е . взаимные (или односторонние ) посещения ; 2. контакты по каналам связи ; 3. конт акты смешанного типа - посылка к внеземной цивилизации автоматических зондо в , которые передают полученную информацию по каналам связи. Конечно , наибольшую привлекательность представляют контакты первого типа . Но он и как раз и наиболее трудны в реально м осу ществлении . Основная трудность здесь связана с длительностью полета . При полет ах к другим цивилизациям длительность путешес твия может быть больше времени жизни само й цивилизации (> L). Отсюда возникает вопрос о возвращении , ценности привезенной информации, а значит и смысле самого полета. При полетах к далеким звездам со скоростями , незначительными по сравнению со с коростью света (V < < C) , требуется время , исчисляемое тысячелетиями . Поэтому такие полеты возможны только к ближайшим звездам . В настоящее вре мя такие проекты обсуждаются . Хотя до их практического осуществления их еще очень далеко. Но , согласно теории относительности , в условиях такого полета время сокращается тол ько для экипажа космического корабля , а дл я жителей Земли оно будет течь как в нере лятивистской системе . Это значит , что оно может превышать время жизни само й земной цивилизации ( L ) . За время путешествия на Земле пройдут сотни и тысячи лет . Земная цивилизация измениться настолько , что не только доставленная информация станет ненужной, но и сам исходный смысл такое полета будет утерян. Правда , учитывая эти аргументы , иногда высказывают идею космического путешествия без возвращения на Землю , на родину . Речь ид ет о межзвездных перелетах со сменой поко лений во время полета . В будущем техни чески эта проблема , очевидно , будет в принципе решаемой . Но ее смысл уже ин ой - это расселение земной цивилизации во Вселенной ! Оценка целесообразности такого пересел ения или расселения - дело наших далеких п отомков. В настоящее время реально возможными ко нтактами со внеземными цивилизациями яв ляются контакты по каналам связи . Если вре мя распространения сигнала в ту и другую сторону ( t ) больше времени жизни цивилизации (t > L ) , то тогда речь идет об одностороннем контакте . Если же t < < L , то возможен дв усторонний обмен информацией . Современный уровень естественнонаучных знаний позволяет серьезно говорить лишь о канале связи с помощью электромагнитных волн . И уже в настоящее время радиотехника находится на таком ур овне , что дает реальную возможность ус т ановления такой связи. 11.8.3. Пои ски внеземных цивилизаций Поиск внеземных цивилизаций должен предшествовать уста новлению связи с ними . В настоящее время наметилось несколько направлений поиска : 1. Поиск следов астроинженерной деятельности внеземных цивил изаций Он опи рается на предположение , что технические разв итые цивилизации рано или поздно должны п ерейти к преобразованию окружающего космического пространства (создание искусственных спутников вокруг своей звезды , искусственной биосферы и др .), в частнос ти , для перехвата значительной части энергии звезды. Как показывают расчеты , основная часть таких астроинженерных сооружений должна быть сосредоточена в инфракрасной области спектра , в интервале длин волн 3-10 мкм . Следовательно , задача обнаружения подобны х внеземных цивилизаций должна начинаться с поиска лок альных источников инфракрасного излучения или звезд с аномально большим избытком инфракр асного излучения . Такие исследования в настоя щее время ведутся . С момента выдвижения эт ой идеи было обнаружено не с колько десятков инфракрасных источников , однако осн ований для того , чтобы связать какой-либо из них со внеземной цивилизацией пока нет. 2. Поиск следов посещения внеземных цив илизаций на Земле В осно ве этого направления лежит допущение о то м , что активност ь внеземных цивилизаций могла проявляться в историческом прошлом в виде посещения Земли и отпечатках такого посещения в памятниках материальной или духовной культуры различных народов . Так проб лема внеземных цивилизаций сближается с темат икой истории куль т уры , археологии , где также имеется немало "белых пятен ", заг адок , тайн и проблем . На этом пути открываются немалые возм ожности для различного рода сенсаций - ошеломл яющих "открытий ", квазинаучных мифологий о косм ических истоках отдельных культур (или их э лементов ). Так , например , рассказом о к осмонавтах называют легенды о вознесении свят ых на небо . Необъяснимые пока постройки бо льшого каменного сооружения также не доказыва ют их космического происхождения . Спекуляции на этот счет вокруг гигантских каменных идолов на острове Пасхи были развеяны Туром Хейердалом , когда потомки древ него населения этого острова показали ему , как это делалось без всякой техники , а не только без вмешательства космонавтов . В этом ряду находятся и фантазии о то м , что Тунгусский мет е орит был не метеоритом или кометой , а космическим кораблем инопланетян . Все такого рода гипот езы и предположения нуждаются в самом тща тельном и взвешенном исследовании. 3. Поиск сигналов от внеземных цивилиза ций Проблема поиска сигналов от внеземных цивили з аций в настоящее время формулируется прежде всего как задача поиска искусственных си гналов в радио - и оптическом (например , ост ронаправленным лучом лазера ) диапазонах . Но наиболее вероятной является все-таки радиосвязь . И потому важнейшей задачей здес ь о казывается выбор оптимального диапазон а волн для такой связи . Анализ показывает , что наиболее вероятны искусственные сигналы на волнах l 2 1 см (радиолиния водорода ), l 1 8 см (радиолиния ОН ) или l 1 ,3 5 см (линия водяного пара ) ил и же на частотах , скомбинированных из основной частоты с какой-либо математической константой ( , e и др .). Серьезная постановка задачи поиска сигнал ов от внеземных цивилизаций требует создания постоянно действующей службы контроля , охват ывающей всю небесную сферу . Причем , такая система должна быть и достаточно универсально й - рассч итанной на прием сигналов раз личного вида (импульсных , узкополосных и широк ополосных ). Первые работы по поиску сигналов внез емных цивилизаций были проведены в США в 1960 г . Исследовалось радиоизлучение ближайших з везд ( Кита и e Эридана ) на волне 21 см . В последующем (70-80-е годы ) такие иссле дования проводились и в СССР . В ходе и с следований были получены и обобщающие результаты . Так , в 1977 г в США (обсерватори я Огайского университета ) в процессе обзора неба на волне 21 см был зарегистрирован у зкополосный сигнал , характеристики которого указы вали на его внеземное и , вероятно , иску с ственное происхождение . Однако повто рной регистрации этого сигнала получить не удалось , и потому вопрос о его природе остался открытым . Поиски в оптическом диа пазоне проводились с 1972 г . и на орбитальных станциях. Обсуждались проекты строительства многозе ркальных телескопов на Земле и на Луне , сооружение гигантских космических радиоте лескопов и др. Поиск сигналов от внеземных цивилизаций - это одна сторона контакта с ними . Но существует и другая - сообщение таким цив илизациям о нашей , земной цивилизации . П отому наряду с поисками сигналов от космических цивилизаций были предприняты попыт ки направить послание внеземным цивилизациям . В 1974 г . с радиоастрономической обсерватории в Аресибо (Пуэрто-Рико ) было направлено радиопос лание в стороны шарового скоплени я М -31, находящегося от нас на расстоян ии 24 тыс . световых лет . В этом послании закодирован текст , содержащий данные о жизни и цивилизации на Земле . Информационные со общения также неоднократно помещались на косм ические аппараты , траектории которых обеспечи в али им выход за пределы Солн ечной системы. Конечно , очень мало шансов на то , ч то эти послания когда-либо достигнут поставле нной цели , но начинать когда-то надо . Важно то , что человечество не только серьезно задумывается о контактах с разумными сущ ествами и з других миров , но уже и оказывается способным такие контакты , пусть в самой простейшей форме , налаживать . В последнее десятилетие представление о том , что Человечество одиноко если не во всей Вселенной , то во всяком случае в нашей Галактике , становится п реобла дающим среди специалистов . Но такой вывод влечет за собой и важнейшие мировоззренческие следствия : возрастает значение и ценность человеческих достижений . Вполне возможно , что наша планета Земля является высшим "цветом " развития материи , или , по кра й ней мере , огромной части Вселенной , в человечестве сконцентрированы все высшие дос тижения саморазвивающегося Мира . Это значит , ч то мы , люди , в огромной степени ответствен ны - не только за нашу планету , но и за развитие Вселенной в целом ! 11.9. Мето дологич еские установки "неклассической " астрон омии ХХ в. Краткий обзор современной астрономической картины мира показывает , что астрономия в ХХ веке кардинально преобразовала старые классические пр едставления о Вселенной , ее структуре и эв олюции . Астрономия переж ила в уходящем столетии глубокую научную революцию , которая изменила способ астрономического познания . На смену классическому способу познания пришел "неклассический " способ астрономического познания . Свидетельством этого является происшедшая в ХХ веке ра д икальная смена ме тодологических установок астрономического познания. 1. Основа астрономического по знания - признание объективного существования пред мета астрономической науки (космических тел , и х систем и Вселенной в целом ) и их принципиальной познаваемост и научно-рациональн ыми средствами (причем , не только структурного , но и исторического аспектов Вселенной ). Можно , следовательно , говорить о п олной победе материалистического принципа познав аемости природы , истории Вселенной в системе методологии астрономии ХХ века. 2. Эмпирическая основа совреме нной астрономии - наблюдение во всеволновом ди апазоне. Теоретические исследования и экспериментальн ые попытки регистрации гравитационных волн от крывают перспективы развития гравитационной астр ономии . Сведения о космо се несут не только волновые процессы , но и частицы ( космические лучи , нейтрино ). Причем , оказалось , что основная особенность наблюдений во внеопт ических диапазонах состоит в том , что они несут с собой информацию , как правило , о нестационарных процессах во Вселе нной. 3. Теоретическая основа соврем енной астрономии - не только классическая меха ника , и релятивистская и квантовая механика . Не потеряла еще своего значения для астрономического познания (прежде всего , для объяснения процессов , происходящих в Солнеч ной системе ) и классическая механика . Как и прежде , все основные расчеты движени й тел планетной системы и искусственных с путников Земли , Луны и планет , космических аппаратов , созданных человеком , осуществляется (в силу слабости релятивистских и квантовых п роцессов для этих систем ) на базе ньютоновской механики. 4. Физическая реальность состоит из трех качественно несводимых друг к другу уров ней : микро ,- макро ,- и мегамиров . В системе астрономического познания выдел яется две большие подсистемы : o астрономиче с кие науки , изучающие закономерности космических тел и процессов макроуровня (небесная механ ика , астродинамика , астрометрия и др .); o астрономические науки , изучающие кос мические процессы на уровне мегамира (внегала ктическая астрономия , релятивистская кос молог ия и др .); исследования нося т космологический характер , если они имеют дело с линейными размерами , превышающими 1 0 n парсек (пк ) (где n = 9); именно здесь проходит ра зграничительная линия между "обычным ", астрономичес ким и космологическим масштабом . В системе астро номического познания большую роль играет изуч ение закономерностей микромира , связанных с п роцессами излучения звезд , ранних этапов эвол юции Вселенной и др . Поэтому современная а строномия пользуется и аппаратом микрофизики (квантовая механик а , квантовая электродинамика , теория электрослабого взаимодействия , квантовая хромодинамика и др .). Вопрос о глубинных внутренних связях между микро ,- макро ,- и мега - мирами , о т ом , что на определенном уровне они предста вляют собой некое (диалектическое ) единство также входит в поле зрения современной астрономии. Косвенным свидетельством в пользу наличия такой связи является необъяснимая пока з акономерность взаимосвязи физических констант (гр авитационная постоянная , постоянная Планка , скорос ть света , заряд электрона , константы силь ного и слабого взаимодействий , массы электрон а , протона и других элементарных частиц , п остоянная Хаббла , средняя плотность масс во Вселенной и др .), из которых можно постро ить безразмерные величины двух видов : · первые - порядка 1 0 n , где n = - 2 (или - 3); · вторые - порядка 1 0 n , гд е n = 4 0 , в которых связа ны как атомные , так и космологические конс танты. 5. Вопрос о единственности Вселенной как объекта космологии решается в современной астрономии отнюдь не однозначно . Наря ду с точкой зрения , что Вселенная как объект космологии -это наша Метагалактика в ее самых общих свойствах (причем , эта точка зрения пока д оминирующая ), существует мнение , что , во-первых , отождествлять Вселенную с Метагалактикой нельзя , что Вселенная може т состоять и з множества Метагалактик , и , во-вторых , тезис об уникальности Вселенной должен рассматривать ся как исторически относительный , определяемый историческим уровнем практики. 6. В трактовке сущности пространства и времени современная астрономия опира ется на ОТО , в соответствии с которой простр анственно-временные характеристики перестают быть фундаментальными , независимыми ни от чего п онятиями физики . Геометрические характеристики те л , их поведение и ход часов зависят пр ежде всего от гравитационных по л е й , которые в свою очередь создаются матери альными телами . Иначе говоря , п редполагается , что пространственно-временная метрика Вселенной обусловлена гравитационным полем , которое создается вещественными телами. Пространственно-временная метрика Вселенной , определяющаяся гравитационным полем , в ко нечном счете зависит от закономерностей эволю ции Вселенной . Другими словами , "искривленность " пространства и "замедленность " времени признает ся не только в отдельных частях Вселенной вблизи тяготеющих масс , но и в м асштабах всей Метагалактики. 7. Современная астрономия и теоретически и эмпирически обосновывает идею нестационарности Вселенной : мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения , развития . Идея развити я пронизывает вс ю современную астрономию. Эта идея носит не умозрител ьный характер , а воплощается в разного род а астрофизических и космологических моделях. Общая идея о нестационарности Вселенной (пространственной и структурной ) конкретизируется в следующих методологическ их установках : · Развитие космическ их тел рассматривается диалектически - со взры вами , скачками , прерывами постепенности ; при эт ом учитывается и многообразие путей развития , включая и моменты нисходящего , регрессивного движения ; · В качестве факторов , опр еделяющ их процесс развития космических тел , рассматр иваются все четыре известных сейчас фундамент альных взаимодействия ; прибегать ко всем четы рем приходится в моделировании начальных стад ий эволюции Вселенной , вблизи сингулярности ; в масштабах Метагалакти к и решающая роль принадлежит силе тяготения ; · Необходимость доведения теоретического описания астрономического объект а и его эволюции до выделения его инд ивидуальных черт , поскольку астро номические объекты даже одного типа (например , звезды или даже звезд ы определенного класса ) имеют заметные индивидуальные различ ия (масса , светимость , химический состав , темпер атура и др .); это в какой-то мере роднит астрономические объекты с объектами биологич ескими ; можно сказать , что в системе астро номических знаний "а с трономическая фи логения " должна быть дополнена "астрономической онтогенией "; · В вопро се о том , в каком направлении происходит образование космических тел , сейчас нет т акого единодушия , которое было еще 40 лет то му назад . В настоящее время сформировалось два основных подхода . Первый (т.н . "классическое " направле ние , идущее от идей Канта-Лапласа ) исходит из того , что эволюция космических объектов осуществляется в направлении сгущения и ко нденсации первоначальной водородо-гелиевой плазмы (продукта процессов, происходи вших на начальных этапах эволюции Вселенной ), о существовании которой свидетельствует наб людаемое сейчас "реликтовое излучение ". (Общепризна нного представления о "механизме " сгущения исх одного плазменного вещества это направление н е дает . В его р амках конкурирует два направления . Первое базируется на иде е Дж . Джинса , в соответствии с которой образование галактических масс происходит под влиянием силы тяжести , заставляющей однородную и изотропную плазму сгущаться и конденси роваться в плотные косми ч еские об разования - скопления галактик , звезды , планеты и др . Это - т.н . потенциальная теория , трудно сти которой состоят в объяснении вращения галактик , магнитных полей , происхождения квазар ов и др . Потенциальной теории противостоит другое направление - т е ория турбулен тной Вселенной и первичных фотонных вихрей ("вихревая теория "). Вихревая теория объясняет вращение галактик , но за счет , во-первых , отказа от космологического постулата (однородност ь и изотропность Вселенной ), во-вторых , некоторы х несоответст в ий данным астрономическ их наблюдений , которые , однако , не могут сч итаться окончательно подтвержденными - раннее обос обление галактик и др .) Второй подход исхо дит из того , что в создании космогоническо й теории надо в первую очередь отталкиват ься от обобщен и я не стационарных , а нестационарных процессов . Нестационарные ж е процессы характеризуются , по-видимому , тем , чт о основное направление их э волюции - взрывные , дезинтегрирующие процессы , прои сходящие в сверхплотных и чрезвычайно энергое мких (1 0 n эрг , где n = 6 2) космических образования х - ядрах галактик . 8. То обстоятельст во , что идея развития пронизывает все совр еменное астрономическое знание , привело к пер еосмыслению роли космогонического аспекта в а строномическом познании. Современная астрономия исходи т из установки о космогоническом смысле (прямом или опосредованном ) любой астрономической проблемы . Именно космогонический аспект исследования Вселенной начинает все больше выступать в виде того организующего центра , который о бъединяет вокруг себя различны е разделы дифференцировавшейся астрономической науки. 9. В современной неклассической астрономии (так же , как и в классической ) нет св ободы выбора условий наблюдения . Так же , к ак и классическая , современная астрономия осо знает зависимость результата наблю дения о т условий , в которых находится наблюдатель . Но отличие современной астроном ии от классической состоит в том , что не во всех случаях современная астрономия допускает возможность пренебречь этой зависимо стью или внести на нее поправку . Происходи т возр астание роли субъекта в совреме нной астрономии на эмпирическом уровне познан ия. Так , при описании ОТО космологических явлений (искривленного пространства-времени ) необходим о вместе с тем пользоваться классическими понятиями для описания содержания эксперим ента с излучением , идущим от удаленных объектов , в однородной и изотропной локал ьной области плоского пространства-времени . Это описание условий эксперимента не может быт ь элиминировано в окончательном результате ис следования. 10. Резкое возрастание теорет ической активности субъекта -одна из в ажнейших характерных особенностей астрономии ХХ века . Это проявляется в сле дующих чертах современного астрономического позн ания : · современная астрон омия (как и "неклассическая " физика ) отвергает классический идеал абс олютного описания , согласно которому в рамках одной теории можно достичь исчерпывающего описания законо мерностей и свойств мира астрономических объе ктов ; · необходимость наличия в системе тео ретического описания структуры и эволюции Все ленной не одной , а множества теоретическ их моделей ; · отсутствие единства в вопросах о содержании исходных абстракци й (принципов , аксиом ), в которых отражаются существенные характеристики предметной области , в вопросах выбора исходной концептуальной базы для построения таки х моделей (наприме р , разное отношение к космологическому постул ату и др .). · возрастание роли субъекта своеобразно проявляет себя в т.н . антропном принципе в космологии. В соответствии с этим принципом , возникновение человечества , самого познающего субъек та было возможным в силу того , что крупн омасштабные свойства нашей Вселенной (ее глуб инная структура ) именно таковы , какими они являются ; если бы они были хотя бы нем ного иными , Вселенную просто не было бы кому познавать . Этот принцип вскрывает наличие глу бокого внутреннего единства закономерностей исторической эволюции Вселенной с предпосылками возникновения и эволюции органического мира вплоть до возникн овения человека и общества , существование нек оторого типа универсальных связей (системообразую щих отно ш ений ), на которых построе н наш мир , наша Вселенная . 11. Изменяемость ст руктуры познавательной деятельности в астрономии - одна из новых методологических установок . Принципы и способы познавательной деятельности в развитии астрономии периодически изменяютс я . Эпохи , когда происходят такие измен ения - это эпохи научных революций в астро номии. Итак , мы видим , что методологические у становки современной астрономии ХХ в . существ енно отличаются от методологических установок классической астрономии . Основные направ лен ия по котором произошло из размежевание : 1. отказ от установки на признание не изменности структуры космических образований , при знание фундаментальной роли структурной эволюции Вселенной ; 2. изменение пространственно-временных представле ний ; 3. расширен ие теоретической базы астр ономии за счет новых фундаментальных теорий ; 4. тенденции к отказу от идеи единств енности Вселенной ; 5. необходимость учета "условий познания " и на этой основе - новая гносеологическая ситуация в астрономии ; 6. представление о пер иодической смен е астрономических способов познания. Такое существенное различие в методологич еских установках классической астрономии и со временной , неклассической астрономии ХХ века позволяет сделать вывод о том , что в а строномии происходит смена способов астроно мического познания , происходит научная революция . Список литературы Азимов А . Краткая история био логии . М .,1967. Алексеев В.П . Становление человечества . М .,1984. Бор Н . Атомная физика и человеческое познание . М .,1961 Борн М . Эйнштейновская теория относительности.М .,1964. Вайнберг С . Первые три минуты . Совреме нный взгляд на происхождение Вселенной . М .,1981. Гинзбург В.Л.О теории относительности . М .,1979. Дорфман Я.Г . Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века . М .,1979. Кемп П ., А рмс К . Введение в биологию . М .,1986. Кемпфер Ф . Путь в современную физику . М .,1972. Либберт Э . Общая биология . М .,1978 Льоцци М . История физики . М .,1972. Моисеев Н.Н . Человек и биосфера . М .,1990. Мэрион Дж . Б . Физика и физический м ир . М .,1975 Найдыш В.М . Концепции современного ес тествознания . Учебное пособие . М .,1999. Небел Б . Наука об окружающей среде . Как устроен мир . М .,1993. Николис Г ., Пригожин И . Познание сложно го . М .,1990. Пригожин И.,Стенгерс И . Порядок из хаос а . М .,1986. Пригожин И ., Стенгерс И . В ремя , Хаос и Квант . М .,1994. Пригожин И . От существующего к возника ющему . М .,1985. Степин В.С . Философская антропология и философия науки . М .,1992. Фейнберг Е.Л . Две культуры . Интуиция и логика в искусстве и науке . М .,1992. Фролов И.Т . Перспективы человека . М .,1983.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Студенты-медики, чтоб не подорвать престиж профессии, дают клятву Гиппократа.
Студенты-пищевики, чтобы не подорвать престиж профессии, дают клятву, что не расскажут людям из чего сделана колбаса.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по астрономии, авиации, космонавтике "Особенности астрономии ХХ века", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru