Тема 8.

Строение и эволюция Вселенной (мегамир).

Солнечная система

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Это место вселения

человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не обо

всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для эксперимен-

тального наблюдения. Эта часть называется Метагалактикой. Но

термин «Вселенная» более привычен, поэтому в дальнейшем мы бу-

дем его употреблять, подразумевая Метагалактику.

На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел

космологическое уравнение, предполагая, что Вселенная однородна

(т.е. ее свойства одинаковы во всех точках), изотропна (т.е. ее свойст-

ва не зависят от направления) и стационарна (т.е. объем и радиус ее

постоянны). Разумеется, при этом возможны различные движения

внутри самой системы.

Однако вскоре, в 1922 г. стационарный мир Эйнштейна был под-

вергнут серьезной критике. Российский математик и геофизик А.А.

Фридман проанализировал космологическое уравнение Эйнштейна

и показал, что стационарный мир является только частным решени-

ем этого уравнения, что искривленное пространство не может быть

стационарным, а в более общем случае возможны нестационарные

решения, т.е. фридмановские миры должны были либо расширяться,

либо сжиматься. Однако какой из вариантов фридмановского реше-

ния верен, расширяется ли Вселенная или сжимается? На этот во-

прос ответил в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл. Напомним,

что согласно эффекту Допплера спектры излучения удаляющихся

объектов должны быть сдвинуты в красную сторону (красный сдвиг),

а спектры приближающихся – в фиолетовую (фиолетовый сдвиг).

Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем

больше ее линейчатый атомный спектр водорода (а это основной со-

ставляющий компонент звезд) смещен в красную сторону. Иными

словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. А

это, в свою очередь, означало, что Вселенная не стационарна, что она

непрерывно расширяется, и расстояния между галактиками все вре-

мя растут.

Открытие красного смещения и на его основании расширения

Вселенной было одним из величайших открытий ХХ века. Если ис-

пользовать метод моделирования и попытаться представить себе

Концепции современного естествознания

33

расширяющуюся Вселенную, то это будет постоянно раздувающийся

шар с нанесенными на него точками. При надувании такого шара

расстояние между двумя любыми точками возрастает, но ни одну

них нельзя назвать центром расширения. Несмотря на то, что от-

крытие Э. Хаббла блестяще подтвердило предсказания А.А. Фрид-

мана (он умер в 1925 г.), работы последнего долгое время оставались

неизвестными научному миру.

Открытие Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос: будет

ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент начнется

сжатие? Не следует забывать, что расширение осуществляется, не-

смотря на закон Всемирного тяготения. Именно эти соображения

привели американского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (русского по про-

исхождению, он учился вместе с А.А. Фридманом, работал под руко-

водством академика А.Ф. Иоффе и покинул СССР в 1933 г.) к идеям

«горячей Вселенной», сингулярной точки и Большого взрыва. Со-

гласно этой гипотезе, примерно 10–18 млрд лет назад существовала

субстанция (ее назвали сингулярной точкой), имеющая бесконечную

плотность при бесконечной кривизне пространства. В момент Боль-

шого взрыва каждая частица этой субстанции начала удаляться от

другой, что сопровождалось очень высокими температурами в мил-

лионы К. В таких условиях могла существовать только смесь кварков

и элементарных частиц, т.е. сгусток плазмы. Далее, при снижении

температуры могли образоваться ядра, а затем первые атомы, Это

были атомы водорода (самого простого – один протон и один элек-

трон – и самого распространенного химического элемента во Вселен-

ной, являющегося основой состава звезд).

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна,

то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, температура

которого соответствует примерно 6 К. Через десять лет, в 1965 г. это

излучение, названное «реликтовым», идущее со всех направлений

Вселенной с одинаковой интенсивностью, было обнаружено амери-

канскими астрономами А. Пензиасом и В. Вильсоном. Гипотеза

Большого взрыва была подтверждена экспериментально. А. Эйн-

штейн приветствовал появление теории Большого взрыва и добавил,

что в этот момент родилось не только вещество, но также пространст-

во и время.

Разумова Е.Р.

34

Космические объекты

Эти объекты делятся на излучающие свет – звезды, светимость ко-

торых обусловлена термоядерной реакций перехода водорода в ге-

лий, и не излучающие свет – планеты, метеориты, космическая пыль

и кометы, которые светятся отраженным солнечным светом. К осо-

бым космическим объектам относятся «черные дыры», имеющие та-

кую большую массу, что для преодоления ее гравитации необходимо

развить скорость, большую скорости света, что, как известно, невоз-

можно (результаты опыта Майкельсона). Поэтому черные дыры ни-

чего не излучают и не отражают, а только поглощают любые сигна-

лы. Астрономы обнаружили характерное рентгеновское излучение от

окружающего предполагаемые черные дыры плазменного диска.

Есть гипотеза о том, что 90% массы всей Вселенной находится в чер-

ных дырах, а поскольку, согласно формуле Эйнштейна, масса про-

порциональна энергии, черные дыры – это огромный энергетический

запас Вселенной.

Скопления звезд называются галактиками. Наша галактика на-

зывается «Млечный путь» и состоит из ядра с максимальной плотно-

стью звездного вещества и нескольких спиральных ветвей. Ее разме-

ры – примерно 100 тыс. световых лет (световой год – это расстояние,

которое свет проходит за промежуток времени, равный одному зем-

ному году). Если можно применить к галактике понятие «вид сбоку»,

то в этом плане она представляет собой гигантский диск толщиной

примерно 1500 световых лет. На расстоянии примерно двух третей от

центра галактики находится Солнечная система.

Первый внегалактический объект был открыт Э. Хабблом в 20-х

годах ХХ века и назван «туманностью Андромеды». Позже были от-

крыты тысячи других галактик, и Э. Хаббл предложил их классифи-

кацию (спиральные, эллиптические, неправильные). В 1963 г. были

открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные

источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью, в сотни раз

большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньше их.

Была выдвинута гипотеза, что квазары – это ядра новых галактик, а

это значит, что процесс образования новых звезд продолжается и по-

ныне.

Солнечная система

Солнечная система состоит из Солнца и девяти планет, а также

множества астероидов, метеоритов и космической пыли. Солнце –

Концепции современного естествознания

35

звезда средней величины, ее возраст – примерно 5,5 млрд лет, тем-

пература на поверхности Солнца – около 6000 К.

Существуют две гипотезы образования планет Солнечной системы

– «горячая» и «холодная». Суть горячей гипотезы в том, что планеты

– это оторвавшиеся кусочки Солнца. Согласно холодной гипотезе,

планеты образовались из газо-пылевых облаков (понятие «холодная»

относительно: температура на первозданной Земле оценивается

примерно 1000 К). Вторую гипотезу астрономы считают более аргу-

ментированной. Первые четыре ближайшие к Солнцу планеты –

Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы. Они

твердые, имеют сравнительно небольшую массу и магнитное поле.

Следующие четыре планеты – это планеты-гиганты: Юпитер, Са-

турн, Уран, Нептун. Их массы гораздо больше массы Земли, и состо-

ят они из затвердевших при низких температурах газов. Все 8 пла-

нет движутся в единой плоскости, в одном направлении по эллипти-

ческим орбитам. Последняя планета – Плутон – небольшая по массе

и размерам, твердая и движется в другой плоскости. Радиус Солнеч-

ной системы, т.е. расстояние от Солнца до Плутона, составляет 5,5

световых часов.

Таким образом, к середине ХХ века был экспериментально дока-

зан и теоретически обоснован факт расширения Вселенной. Это было

одним из выдающихся открытий в астрономии ХХ века.

Была также высказана и обоснована гипотеза Большого взрыва –

основы рождения Вселенной.

Контрольные вопросы по Теме 8:

1. Что такое «красное смещение»?

2. Что такое «черные дыры»?

3. Чем обусловлена светимость звезд?

Литература: 7, 14, 17,18, 21.

Разумова Е.Р.

36