Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

научную революцию. Это теории Птолемея, Коперника, Фридмана, Гамова, Глинера, Линде (ради краткости записи мы вынуждены ограничиться шестью фамилиями). Читателю, знакомому с теорией концептуальной трансдукции, которая была изложена в главе 1, надо полагать, очевидно, что указанные теории образуют соответствующий интерпретационный ряд теорий. Он выглядит, на наш взгляд, следующим образом:

ТЛинде ТГлинера ТГамова ТФридмена ТКоперника ТПтолеиея. (3.7)

По сути, интерпретационный ряд теорий (3.7) является основной парадигмой современного космологического знания.

Выводы

•Концепция хаотической инфляции позволяет непротиворечиво объяснить многие космологические явления, в частности ее масштабные и энергетические характеристики.

•Динамика космологических процессов в значительной степени объясняется свойствами осциллирующего скалярного поля.

•Энергия Вселенной не возникает из ничего, она «заимствуется» из скалярного

поля.

•Космологическая инфляция осуществляется за 10–35—10–33 с. За это время она достигает размеров, многократно превышающих доступные наблюдениям людей космические области.

•Наша Вселенная искривлена, но нам она представляется плоской.

•Наряду с нашей Вселенной существуют также другие миры (это положение нуждается в дополнительном обосновании).

3.6. Эволюция, структура и характеристики нашей Вселенной

Современная картина эволюции нашей Вселенной строится прежде всего на основании достижений квантовой теории поля. Как правило, задаются временные рамки соответствующих фаз эволюции. При этом следует учитывать, что начальные этапы эволюции происходят столь стремительно, что задание их временных границ оказывается довольно затруднительным.

	Таблица 3.1
	Основные этапы эволюции Вселенной
Время	Характеристика происходящих процессов
10–43 с	Объединение всех типов взаимодействий
10–42 с	Отделение гравитационного взаимодействия
10–42—10–36 с	Великое объединение электрослабых и сильных взаимодействий
10–36 с	Конец великого объединения, разделение сильного и электро-
	слабого взаимодействия; квантовые флуктуации
10–35 с	Эра инфляции
	Переход к горячей Вселенной
	Возникновение асимметрии между веществом и антивеществом
10–10 с	Конец электрослабого взаимодействия

131

	Окончание табл. 3.1
Время	Характеристика происходящих процессов
10–6 с	Образование из кварков адронов
10–6—10–4 с	Рождение и аннигиляция адронов (в меньшей степени лепто-
	нов)
10–4—10 с	Рождение и аннигиляция лептонов
10–1 с	Вселенная становится прозрачной для нейтрино и антинейтрино
1 с	Стабилизируется соотношение во Вселенной нейтронов и про-
	тонов: нейтронов меньше, чем протонов, в пять раз
1—200 с	Первичный нуклеосинтез, образование атомов
10 с — 10 000 лет	Доминирование излучения над веществом
10 000 лет	Доминирование вещества над излучением
350 000 лет	Рекомбинация и отделение излучения от вещества
100—200 млн лет	Темная эра (есть атомы H, 2H, 3H, 4He, 3He, Li, но отсутствуют
	атомы других химических элементов)
200 млн лет	Первые звезды
200—500 млн лет	Вторичный нуклеосинтез (образование атомов с номерами выше
	3)
1 млрд лет	Формирование крупномасштабной структуры Вселенной
7 млрд лет	Переход к ускоренному расширению Вселенной
13,8 млрд лет	Современная космологическая эпоха

Эволюция Вселенной привела к следующим ее характеристикам (табл. 3.2).

	Таблица 3.2
Характеристика Вселенной в настоящее время
Возраст	13,8 млрд лет
Поперечный (видимый) размер	2,2 ·1028 см
Полная масса (без массы темной материи и темной энергии)	1,5 ·1056 г
Средняя плотность вещества	10–29 г/см 3
Плотность видимого вещества	3·10–31 г/см 3
Полное число барионов	1080
Доля антивещества	>10–4
Постоянная Хаббла	68
Температура реликтового излучения	2,728 К

Значительный интерес представляет также структура Вселенной, ведь она является самым ярким воплощением мегапроцессов.

132

Таблица 3.3

Структура Вселенной

Объекты Вселенной	Характерные размеры
Большие группы квазаров (ядра галактик,	4 млрд световых лет
находящиеся в пределах одной галактической
нити)
Войды (объекты Вселенной, не содержащие	1 млрд световых лет
скопления звезд и галактик)
Галактические нити (группы сверхскоплений	1 млрд световых лет
галактик, формирующие границы войд)
Суперскопления галактик, (107 в видимой	0,2 млрд световых лет
части Вселенной)
Скопления галактик (2,5·109 в видимой части	10 млн световых лет
вселенной)
Галактики (1011 в видимой части Вселенной)	100 000 световых лет
Скопления звезд (не менее 1013 в видимой	10—100 световых лет
части Вселенной)
Звезды (3·1022 — в видимой части Вселенной)	Диаметр Солнца равен 4,64 свето-
	вым секундам
Планетные Системы	Диаметр солнечной планетной
	системы равен 41 световому часу
Планеты	Диаметр Земли равен 0,0426 свето-
	вой секунды
Спутники, например, планет	Диаметр Луны равен
	0,0116 световой секунды
Астероиды	102—106 м
Кометы	Размеры ядер комет обычно состав-
	ляют 102—104 м
Метеориты	10—10–3 м
Частицы пыли	0,1—2 мм
Молекулы	10–8—10–10 см
Атомы	10–8 см
Адроны	10–13—10–12 см
Кварки	10–17 см
Лептоны	10–17 см

Данные, приведенные в табл. 3.1—3.3, производят неизгладимое впечатление. Многое из них поражает воображение. Это, во-первых, соотношение малого и большого, причем как энергетического и массового, так и пространственного и временного свойства. Большое «помнит» о малом. Это обстоятельство было выяснено в связи с реализацией единства кванто-

133

вой теории поля и космологии. Во-вторых, поражает характер связи всего со всем. Нельзя уничтожить песчинку, не разрушив при этом Вселенную. В-третьих, поражают возможности человеческого разума. Несмотря на многочисленные барьеры Вселенная и в малом и в большом оказывается прозрачной для человеческого разума. Впору говорить не только о космологии Вселенной, но и космологии разума. Параллелью космических нитей оказываются филаменты (читай: ряды теорий) человеческого разума.

Выводы

•За 13,8 млрд лет своего существования Вселенная прошла многочисленные этапы развития.

•Важнейшими этапами развития Вселенной являются в частности квантовые флуктуации, эра инфляции, последующее фридмановское расширение, образование звезд и планет, ускорение расширения Вселенной.

•Астрономия и космология находятся в фазе своего бурного развития. Открытия преумножаются, а для их осмысления исследователи придумывают все новые ряды теорий.

3.7. Тонкая настройка Вселенной. Антропный принцип

Во многих предыдущих разделах речь заходила об особой роли человека как изобретателя науки. Эта констатация наводит на интересные размышления, если она рассматривается в космологическом масштабе. В 1973 г. в Кракове праздновалось 500-летие со дня рождения Николая Коперника. Именно здесь австралийский космолог Брэндон Картер решил опровергнуть принцип Коперника, противопоставив ему антропный принцип. Согласно принципу Коперника, человек не занимает во Вселенной привилегированного положения. Планета Земля, наша обитель, является одной из планет. Солнце — рядовая звезда из миллиардов желтых карликов. Солнечная система является одной из многих планетных систем. Наша Галактика, т.е. Млечный путь, — одна из галактик.

Картер же утверждал, что «хотя наше положение необязательно является центральным, оно, тем не менее, в определенной степени является привилегированным». С Картером многие согласились, но осмысление антропного принципа затягивается. Строго говоря, антропный принцип в том или ином выражении формулировался задолго до выступления Картера. Так, биолог А. Уоллес высказывал схожие мысли в далеком 1904 г. Но лишь выступление Картера привлекло к антропному принципу пристальное внимание утонченных теоретиков. Разгорелись нешуточные споры. В этой связи стали различать сильный и слабый антропный принцип.

Согласно слабому антропному принципу, Вселенная такова, что именно в ней могла сложиться человеческая жизнь. Если бы физические законы были бы слегка другими, в том числе и значения физических констант, то человек не смог бы появиться. Это обстоятельство удивительно, но в достаточной степени очевидно. Намного сложнее обстоит дело с сильным антропным принципом.

Существует целый веер формулировок сильного антропного принципа. Смысл их состоит в том, что человек является не только следствием эволю-

134

ции Вселенной, но и в известной форме ее творцом. Согласно знаменитому американскому физику и космологу Дж. Уиллеру, «современная квантовая теория, общие принципы физики XX столетия приводят к совершенно иному взгляду на реальность, к воззрению, что человек, или разумная жизнь, или коммуницирующие наблюдатели как участники мира являются тем средством, которое создало Вселенную: без них она — ничто. Мы — участники придания существования не только тому, что здесь и сейчас, но и того, что далеко от нас и произошло очень давно».

Антропный принцип часто обсуждается в связи с так называемой тонкой настройкой Вселенной. В соответствии с ней состояние Вселенной определяется строго определенными значениями фундаментальных констант, например таких как интенсивности различных типов взаимодействий, скорость света, постоянная Планка, массы и заряды электронов, протонов и нейтронов и, следовательно, также кварков и лептонов. Рекордсменом по части тонкой настройки Вселенной является космологическая постоянная. Согласно некоторым расчетам, при отклонении от ее величины всего лишь на 10–120 долю привело бы либо к отсутствию существования Вселенной либо сделало бы ее неподходящей для какой-либо формы жизни.

Иллюстрация точной настройки Вселенной

Весьма показательно соотношение масс нейтрона и протона, которые равны соответственно 939,57 и 938,27 МэВ. Разность их масс составляет всего 1,3 МэВ. Свободный нейтрон тяжелее, чем система «протон + электрон». Именно поэтому атом водорода стабилен. Если бы нейтрон был легче на одну десятую процента, то атом водорода быстро превращался бы в нейтрон. Но в таком случае не могли бы существовать атомы и молекулы и, следовательно, органическая жизнь. По другим расчетам, для объекта размером с человека изменение величины заряда электрона и протона на одну миллиардную их долю привело бы к разрыву объекта силой электростатического отталкивания.

В поддержку концепции тонкой настройки Вселенной часто приводят ситуацию с синтезом ядер углерода из трех ядер атомов гелия 4He. Согласно стандартной космологической концепции, необходимые для жизни ядра углерода образуются в недрах звезд. Но чтобы эта реакция действительно осуществлялась, необходимо, чтобы ее вероятность была достаточной большой. Это условие выполняется в силу наличия возбужденного состояния C12 с энергией 7,65 МэВ. Оно всего лишь на 0,3 МэВ больше, чем суммарная масса трех ядер атомов 4He. Эта близость двух энергетических величин увеличивает вероятность образования атомов углерода многократно (резонансно). В результате ускоряется процесс горения гелия и образуются элементы, не только углерод, необходимые для возникновения и последующей эволюции жизни.

Итак, согласно многочисленным расчетам, не только судьба человека, но и звезд, а в конечном счете и Вселенной зависит от значений физических параметров и, разумеется, законов и принципов. Это обстоятельство осмысливается по-разному.

В общем хоре многочисленных сторонников концепции точной настройки Вселенной несколько одиноко звучит голос американского физика и астронома В. Стейнджера. Он не отрицает тонкую настройку, но подчеркивает, что она может осуществляться многочисленными способами. Таковы результаты проведенного им компьютерного моделирования.

135

Вероятностный мир не развивается по единственному сценарию. Следует учитывать, что сами так называемые константы изменчивы.

По поводу понимания антропного принципа идет острая полемика между представителями двух различных концепций, в каждой из которых рассматривается вопрос о правомерности принятия антропного принципа

вкачестве принципа физики и космологии. В экспериментальных науках принципы должны иметь физические последствия. Здесь нельзя обойтись всего лишь прекраснодушной фразой.

Согласно позиции Л. Смолина и Д. Гросса, антропный принцип не является научным принципом. Его невозможно проверить. Физика и космология успешно развиваются без него.

Принципиально другую позицию отстаивает Л. Сасскинд, один из главных энтузиастов теории струн. Он полагает, что в теории струн рассматриваются многочисленные модели, многие из которых являются нереалистическими. При сепарировании предлагаемых моделей на реалистичные и нереалистичные полезно использовать антропный принцип. Реалистичными признаются только такие модели, которые допускают существование человеческой жизни.

На наш взгляд, его оппоненты Смолин и Гросс правы в большей степени, чем он. При выборе реалистичных космологических моделей, естественно, можно и следует учитывать все имеющиеся в распоряжении исследователя факты, в частности, относящиеся к человеческому телу. Имеется в виду, что эти факты непременно должны получить исчерпывающее объяснение. Это непременное требование науки. При всей его актуальности оно не становится подлинным принципом, т.е. концептом, которым определяются

всмысловом отношении законы и переменные. Что именно происходит

вмире физики и астрономии, определяется принципом наименьшего действия, а не антропным принципом.

Что касается приведенного выше странного утверждения Уиллера, то оно состоит в следующем. Он полагает, что, осуществляя экспериментальную деятельность, человек каждый раз творит некоторое новое кван- тово-полевое состояние. Это означает, что он сам является активным фактором. С этим можно согласиться. Но, утверждая активную роль человека, не следует абсолютизировать его мощь. Едва ли человек в ближайшем будущем будет в состоянии погашать или же, наоборот, воспламенять звезды масштаба Солнца.

На наш взгляд, главный урок обсуждения проблематики, связанной с тонкой настройкой Вселенной и антропным принципом, состоит в том, что ученые вынуждены быть в своих исследованиях предельно детальными и точными. Таковы идеалы науки, которые укрепляются вместе с ее развитием.

Выводы

•Точная настройка Вселенной свидетельствует о вполне определенном статусе

ееосновных концептов, включая значения некоторых актуальных параметров.

•Ученые руководствуются идеалами детальности и точности.

•Антропный принцип не является подлинным принципом физики и космологии, ибо он не определяет содержание соответствующих законов и переменных. Подлинным принципом физики и космологии является принцип наименьшего действия.

136

• Человеческая жизнь возникает закономерно. Мы, люди, — дети Вселенной. Есть все основания считать, что мы не являемся единственными ее разумными обитателями. Если они будут обнаружены, то придется признать правоту Коперника, а не Картера. Имеется в виду, что уникальность человека не исключает своеобразия наших разумных собратьев во Вселенной или даже в мультивселенной.

3.8. Астрономические наблюдения. Телескопы

Астрономия — экспериментальная наука. Но, разумеется, эксперимент в астрономии является другим, чем в физике. Здесь эксперимент не представляет собой непосредственное вмешательство в ход космических процессов. Он сводится к различным способам наблюдения астрономических объектов. Их результатом являются многочисленные экспериментальные факты, которые затем используются в деле создания астрономических концепций. Разумеется, эти факты получают то или иное объяснение. Но самое главное состоит в том, что посредством выработанных теорий предсказываются новые явления. Их осмысление в итоге оказывается весьма экономным мероприятием.

Для астрономических наблюдений используются в первую очередь все диапазоны электромагнитных излучений. Для этих целей не пригодны слабые и сильные излучения в силу их коротковолнового характера. Гравитационные излучения (волны), распространяющиеся подобно электромагнитным волнам на большие расстояния, могли бы стать мощным средством изучения астрономических явлений. Но пока люди не научились их регистрировать. Нет сомнений, что в будущем дело дойдет до бурного развития гравитационно-волновой астрономии.

В зависимости от используемого диапазона электромагнитных волн различают типы исследований и методов, а именно радиоволновой, ультрафиолетовый, оптический, инфракрасный, рентгеновский и гамма-вол- новой (табл. 3.4). Мы перечислили указанные методы по степени возрастания частоты колебаний и соответственно убывания длины волн. Каждый из этих методов уместен не всегда, а лишь для наблюдения вполне определенных астрономических объектов. Однако все вместе они дают комплексную картину, которая вырабатывается посредством развития взаимосвязанных друг с другом концепций.

		Таблица 3.4
	Астрономические методы исследований
Астрономические		Характеристика
исследования
Радиоволновая		Длина волн больше одного сантиметра. Наблюдаются сверх-
астрономия		новые звезды, межзвездный газ, пульсары и активные ядра
		галактик
Ультрафиолето-		Длина волн от 100 до 3200 ангстрем (1 ангстрем 10–10 м).
вая астрономия		Ультрафиолетовая астрономия лучше подходит для изучения
		горячих голубых звезд, остатков сверхновых звезд, галактиче-
		ских ядер

137

	Окончание табл. 3.4
Астрономические	Характеристика
исследования
Оптическая	Длина волн от 4000 до 7000 ангстрем. Наблюдаются спек-
астрономия	тральные линии атомов наиболее распространённых химиче-
	ских элементов. Данные оптической астрономии актуальны
	для определения расстояний до космических объектов, часто
	используемых в сочетании с другими методами, осуществляе-
	мых в других диапазонах электромагнитных излучений
Инфракрасная	Длина волн от единиц до 2000 ангстремов. Инфракрасный
астрономия	спектр полезен для изучения объектов, которые слишком
	холодны, чтобы излучать видимый свет (например, планеты,
	газопылевые диски вокруг звёзд и молодые звезды)
Рентгеновская	Длина волн около одного ангстрема. К известным рентгенов-
астрономия	ским источникам в космосе относятся: рентгеновские двойные
	звезды, пульсары, остатки сверхновых, эллиптические галак-
	тики, скопления галактик, а также активные ядра галактик
Гамма-астрономия	Длина волны равна микроангстремам. Это, в частности, пуль-
	сары, нейтронные звезды и галактические ядра

В астрономических исследованиях приходится учитывать, что атмосфера Земли не пропускает многие виды излучений. Из-за этого, например, исследования в диапазоне ультрафиолетовых и рентгеновских волн выполняются в верхних слоях атмосферы, а также из орбитальных станций, ракет или космических кораблей.

Основным приборами, посредством которых осуществляются астрономические наблюдения, являются телескопы. Телескоп с объективом из линз называется рефрактором. Телескоп с объективом из вогнутых зеркал — рефлектором. Лучи, преломленные линзами или отражаемые зеркалом, собираются в фокальной плоскости, где при необходимости помещается фотопленка. Количество собираемого излучения пропорционально площади объектива. В силу этого стремятся увеличить, например, диаметры зеркал. Масштаб изображения тем больше, чем больше фокусное расстояние объектива, т.е. расстояние от объектива до той плоскости, в которой получается изображение. В качестве примера телескопа рассмотрим телескоп имени Э. Хаббла.

Телескоп имени Э. Хаббла является совместным проектом американского космического ведомства НАСА и Европейского космического агентства. Он был выведен на околоземную орбиту высотой около 160 км 24 апреля 1990 г. Будет снят с орбиты после 2014 г. Масса телескопа — 11 т, длина — 13,3 м, диаметр — 4,3 м, диаметр зеркала — 2,4 м, площадь собирающей поверхности — 4,5 м 2. Наблюдения осуществляются в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Телескоп обеспечил возможность получить не только многочисленные экспериментальные данные, позволившие уточнить, например, значение постоянной Хаббла и возраста Вселенной, но и уникальные фотографии звезд, туманностей, процессов зарождения планет и многое другое.

138

Рис. 3.5. Телескоп имени Э. Хаббла

Телескоп «Хаббл» — не самый большой. Диаметр главного зеркала японского оптического телескопа «Субару» составляет более восьми метров. В обсерватории Лас-Кампоманос в Чили создается телескоп, диаметр зеркала которого, состоящего из семи вогнутых сегментов, составит 24,5 м. Детальность сделанных им снимков будет в десять раз больше, чем у телескопа «Хаббл».

Не следует думать, что телескопы всегда стремятся расположить поближе к наблюдаемым объектам. Порой, чтобы лучше узреть Вселенную, приходится забираться внутрь Земли или «прятаться» под толщу воды. Это правило справедливо, например, для нейтринных телескопов. Баксанский нейтринный телескоп, принадлежащий Институту ядерных исследований Российской академии наук, расположен в туннеле под горой Андырчи в Баксанском ущелье на Кавказе. Он представляет собой четырехэтажное здание размером 16 16 м высотой 11 м, стены и перекрытия которого собраны из 3200 жидкостных сцинтилляционных детекторов. Толща горы над лабораторией соответствует 4900 м водного эквивалента.

Нет сомнений, что в ближайшие годы астрономам удастся сделать новые волнующие открытия. Они увидят многое из того, что ранее не видел ни один человек в мире. И увидят они это благодаря не только своим органам зрения, а прежде всего своим уникальным познавательным способностям.

Выводы

•Основным видом астрономических экспериментов являются наблюдения.

•Наблюдения осуществляются во всех диапазонах электромагнитных волн.

•Совершенствование телескопов, равно как и многочисленных других астрономических инструментов, будет способствовать новым успехам астрономии.

139

3.9. Звезды на диаграмме Герцшпрунга — Рассела

Звезды являются основными представителями барионного вещества Вселенной. Звезда — это массивный плазменный шар, в недрах которого происходит термоядерная реакция. На приводимой ниже диаграмме Герцшпрунга — Рассела отчетливо видно, что соотношение параметров звезд не является случайным. Это и неудивительно, ведь развитие Вселенной подчиняется определенным закономерностям.

Спектральные классы

B

A

F

G

K

M

–5

Сверхгигинты

величины

Г

л

а

0

в

н

а

я

Гиганты

звездные

п

о

с

Субгиганты

л

е

+5

д

о

в

а

Абсолютные

т

е

л

ь

н

+10

Белые

о

с

карлики

т

ь

Рис. 3.6. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела1

На диаграмме использовано нескольких переменных. Их набор позволяет провести классификацию звезд. Светимостью звезды является полная энергия, излучаемая ею за единицу времени. Звезды-сверхгиганты обладают светимостью в 100 000 раз большей, чем светимость Солнца.

Но есть звезды-карлики, которые по своей светимости уступают Солнцу в 100 000 раз. Светимость звезды не зависит от расстояния до нее и определяется ее массой. Абсолютная звездная величина — это видимая звездная величина источника излучений, если бы он был на расстоянии 10 парсек от наблюдателя. Шкала звездных величин строится таким образом, чтобы разнице в пять единиц отвечало изменение освещенности, создаваемой звездой, в 100 раз. Освещенностью является поток энергии излучения, падающий на одну сторону площадки площадью 1 м 2. Субъективно звездная величина воспринимается как блеск точечного или яркость протяжен-

1 URL: http://dic.academic.ru/pictures/bse/gif/0257642347.gif

140