Глава 1

ЗЕМЛЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Наша Земля — одна из девяти планет Солнечной системы, а Солн­це — это рядовая звезда — желтый карлик, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Несмотря на то что непосредственным объектом изу­чения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т. к. все они находятся в опре­деленном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселен­ной. Наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и поэтому будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.

1.1. Образование вселенной

Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 ве­щества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла 12-15 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно боль­ших температур и плотностей, которые современная физика не в состо­янии описать.

Такое состояние вещества в 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр на­звал сингулярным. Иногда сингулярность трактуют как обрыв времени в прошлом. Теория расширяющейся Вселенной, или Большого Взрыва (англ.

Big Bang), впервые была создана А. А. Фридманом в России в 1922 г. Та­лантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С ка­кого-то момента, отстоящего от нас на 12-15 млрд лет, вещество, находя­щееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, или инфляции, которое в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Как мы увидим в заключительной главе учебника, Большой Взрыв — это катастрофический процесс, грандиозная бифурка­ция. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва?», по мнению известного английского физика С. Хогинга, носит метафизичес­кий характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на ны­нешней Вселенной.

Современная теоретическая физика достоверно описывает процес­сы Большого Взрыва. Так, температура в 10³- К была достигнута через 10"¹³с, 10¹⁰К - через 1 с, 10⁹К - через 1 мин, 10⁴К - через 100 тыс. лет, а 10³К — через 1 млн лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим.

Теорию первоначально не только очень плотной, но и очень горячей Вселенной в конце 40-х гг. прошлого века развивал знаменитый физик Г. Гамов. Первичный нуклеосинтез, т. е. образование ядер легких элемен­тов, стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн лет началось и формирование атомов.

С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней: и галактики, и звезды — удаляются на равное расстояние друг от друга. Это расширение, или инфляция «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается эксперимен­тальными факторами. В начале своего существования, примерно до 300­400 тыс. лет, наша Вселенная была «кипящей смесью» из протонов, электронов, нейтрино и излучения, взаимодействовавших между собой и вследствие расширения охлаждавшихся.

«Разбегание»галактик и скопление галактик. Доказательство этого яв­ления связано с эффектом Допплера, заключающимся в том, что спектраль­ные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объек­та всегда смещаются в красную сторону пропорционально расстоянию до источника света, а приближающегося — в голубую¹. Во всех случаях наблю­

дения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд сме­щение происходит в красную сторону, причем чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение болыце (рис. 1.1).

«1111

Удаляющаяся звезда

• Наблюдатель

Приближающаяся звезда

• Наблюдатель

Неподвижная звезда,

• Наблюдатель

Рис. 1.1. Эффект Допплера. При удалении объекта от наблюдателя спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные смещения»)

Все галактики и звезды удаляются от нас, и самые далекие из них уда­ляются с большей скоростью. Это закон астронома Э. Хаббла, открытый им в 1929 г.: V = HR, где V — скорость удаления,R — расстояние до космического объекта, а Н — коффициент пропорциональности, или по­стоянная Хаббла, Н = 15 км/с / 10⁶световых лет (1 световой год = = 9,6 • 10¹²км или 6,3 • Ю⁴АЕ)². Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн св.лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/с, а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд 960 млн св. лет) — со скоростью 61 тыс. км/с. Следует подчеркнуть, что все галактики разбега­ются от всех, а не от нас как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система, — это самая рядовая галак­тика среди многих миллионов других.

«Реликтовое излучение».В 1964 г. американские астрономы А. Пензи- ас и Р. Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы «Белл телефон» в штате Ныо Джерси обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от време­ни суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного теласТ«2,75К².За это выдающееся открытие

XX в. авторы в 1978 г.были удостоены Нобелевской премии. Ещедо обна­ружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано фи­зиками-теоретиками, в частности Г. Гамовым.

Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного элекгромагнитного излучения с очень высокой (около 100 млрд К) первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала Большого Взрыва. С тех пор эффективная температура от многих миллиардов градусов кельвина упала до трех, а реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселен­ную.

Химический состав Вселеннойпредставляет собой по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1 %. В такой пропорции — 3:1 — Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а кроме того, и легкие элементы: литий, дейте­рий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «заж­глись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены С в космическое пространство.

V) Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос , Y- заключается в установлении средней плотности Вселенной и величи­ну ны уже упоминавшейся выше постоянной Хаббла. Современное зна-\t чение плотности равно 10"²⁹г/см³, что составляет Ю⁵атомных еди- ^ ниц массы в 1 см³. Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс. км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, то Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем пре­кратится, и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному со­стоянию. Сейчас существует гипотеза очень быстрого, инфляционно­го, расширения Вселенной.

Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва в ре­зультате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газо­вых фрагментов стали формироваться звезды и галактики — скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса и гра­витационного сжатия космического облака газа и пыли. Когда сжатие в цен­тре структуры приводит к очень высоким температурам — 10-15 млн К, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излуче­ния в форме температурных колебаний в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности