ЗИМНЯЯ СЕССИЯ / ксе / Концепции современного естествознания

расстояние между большими звездными системами, предложив считать, что оно вдвое больше, чем думали прежде.

Â1951 году В. Морган исследовал распределение звезд, их скоплений и облаков рассеянного вещества, близких к Солн-˝ цу, и пришел к заключению, что они расположены не беспорядочно, но образуют три ветви. Поэтому считается, что если˝ бы на нашу звездную систему кто-то посмотрел со стороны, он увидел бы довольно упорядоченное целое, где большая часть звезд собрана в несколько рукавов, скрученных в спираль. Именно так в сильные телескопы выглядят многие галактики, например, в созвездиях Андромеды, Треугольника, Гончих Псов.

Âнастоящее время галактики в зависимости от их внешнего вида делятся на три типа – спиральные, эллиптические˝

èвсе остальные (неправильные, иррегулярные).

Наша Галактика, как уже сообщалось, предположительно спиральная. Ее диаметр – примерно 100 тысяч световых лет, толщина – не более 10 тысяч. Общее количество звезд, составляющих ее, – порядка 100 миллиардов (в последнее время говорят, что оно, возможно, ближе к четыремстам миллиардов). Центр Галактики расположен в направлении созвездия Стрельца. Там большое скопление звезд очень высокой плотности, которое, однако, не видно невооруженным глазом˝, поскольку заслонено мощными пылевыми облаками. Солнеч- ная система удалена от центра Галактики на расстояние при˝- мерно 30 тысяч световых лет и вращается вокруг него со скоростью приблизительно 250 километров в секунду, делая полный оборот за 250 миллионов лет. Движется она в настоящее время в сторону созвездия Геркулеса. Солнечная систе˝- ма находится в пространстве между спиральных ветвей, т. е˝. в области, которая сравнительна бедна звездами. Расстояние до большой внешней ветви Персея – около 13 тысяч световых лет, до большой внутренней ветви Стрельца – около 6 тысяч. Солнце принадлежит к небольшому звездному «рукаву», который носит имя Ориона. Ближайшие к нам звезды, за исключением Сириуса, Проциона и Альфы Центавра А, представляют собой обычно тусклые красные или даже коричневые (т. е. тлеющие) карлики, различимые только в телескоп.

У нашей Галактики имеются два довольно больших спутника – Большое Магелланово облако (в созвездии Тукана) и Малое Магелланово облако (в Золотой Рыбе). Обе галактики относятся к типу неправильных; расстояния от Солнца до ни˝х соответственно 170 и 230 тысяч световых лет.

91

Наша Галактика входит в так называемую Местную группу, главными представителями которой являются также огромная спиральная галактика в созвездии Андромеды, спиральная галактика в Треугольнике и неправильные в Кассиопее и Ките. Расстояние до туманности Андромеды 2 миллиона световых лет, но она движется к нам, и через какое-то время наши галактики по расчетам должны столкнуться.

Ближайшее крупное скопление галактик находится в созвездии Девы с центром на расстоянии 65 миллионов световых лет. В его составе примерно двести больших звездных систем, из которых самая знаменитая – спиральная туманность «Сомбреро». Скопление в Деве, по-видимому, является частью еще большего образования – Местного сверхскопления, насчитывающего около 30 тысяч крупных галактик и имеющего размеры 200 H 20 миллионов световых лет. Его соседями являются сверхскопления в созвездии Льва и в созве˝з- дии Геркулеса (на расстояниях соответственно 450 и 600 миллионов световых лет).

Самые далекие известные галактики находятся от нас на расстоянии в 12–13 миллиардов световых лет. Одна из загадок в связи с ними заключается в том, что выглядят они примерно так же, как и ближайшие, хотя, казалось бы, должны были хоть в чем-то существенно отличаться, ведь их возраст – 12–13 миллиардов лет, а значит, они образовались вскоре после «большого взрыва».

В конце ХХ – начале XXI века распространилась точка зрения, согласно которой в ядрах большинства галактик на-˝ ходятся сверхмассивные «черные дыры». К такому выводу подтолкнуло открытие звезд, чрезвычайно быстро движущих˝- ся в центрах галактик по своим круговым орбитам, внутри которых не наблюдается никаких обычных тел. Расчеты пока-˝ зали, что с такой скоростью они могут обращаться только вокруг чего-то невероятно массивного, что согласно теории˝ относительности должно быть «черной дырой».

Необычными и до сих пор малопонятными явлениями остаются так называемые квазары, первые из которых были открыты в начале 60-х годов ХХ века. Выше мы уже упоминали их в связи с общей теорией относительности. Квазары сравнительно невелики (по размерам сопоставимы с планет-˝ ными системами), но мощность их излучения в десятки и даже сотни раз превосходит мощность излучения всех звезд крупной галактики вместе взятых. Предполагается, что ква-˝ зар – это опять же сверхмассивная «черная дыра», перетяги-

92

вающая на себя вещество соседних звезд той галактики, в которой она находится. Закручиваясь вокруг «черной дыры»˝, слои этого вещества вследствие трения разогреваются до м˝иллионов градусов и начинают испускать мощное излучение. Все квазары находятся очень далеко от нас – на расстояния˝х от 3 до 13 миллиардов световых лет. Сведения о количестве открытых квазаров несколько противоречивы. Есть данные, что в начале XXI века их было известно уже около 200 тысяч. Измерение расстояний. Огромные пространства, разделяющие планеты, звезды и галактики в наши дни определяются разными способами. Предполагается, что граница видимого мира удалена от Земли примерно на 13–14 миллиардов световых лет (по самым последним данным 2013 года – на 13,798 ± 0,037 миллиардов, хотя еще совсем недавно называли величину 13,72). В этих пределах для разных расстояний ис-

пользуются следующие методы:

•наша планетная система – радиолокация;

•до расстояний в 2 000 световых лет – тригонометрический па˝- раллакс;

• в промежутке 2 000 – 11 000 световых лет – фотометрия;

•в промежутке 3 000 – 3 000 000 световых лет – по переменным звездам (цефеидам);

•в промежутке 3 000 – 300 000 000 световых лет – по сверхбольшим и взорвавшимся (новым и сверхновым) звездам;

•свыше 3 000 000 световых лет – по красному смещению.

Легко заметить, что одним методом здесь до некоторой степени можно проверить другой. И естественно считать, чт˝о если они дают примерно одинаковые величины, то мы на правильном пути.

Суть первого метода такая: в сторону небесного тела посылают пучок излучения; отразившись от тела, он возвращается обратно и улавливается приемниками; зная скорость распространения излучения (в частности, принимая ее за постоянную величину) и время, которое прошло между отправкой и возвратом, можно рассчитать расстояние от Земли˝ до небесного тела. Трудность здесь заключается в том, что излучение рассеивается в пространстве, т. е. до приемника˝ доходит малая часть того, что было отправлено передатчико˝м. Поэтому метод требует особо чувствительных приборов.

Второй метод опирается на то хорошо известное обстоятельство, что при перемещении наблюдателя меняется взаим˝-

93

ное расположение наблюдаемых предметов. Чем дальше от нас находятся исследуемые тела, тем меньше это изменение.˝ Поэтому метод опять же требует чрезвычайно тонких приборов. Предел подобных измерений в настоящее время – примерно одна сотая доля угловой секунды. Параллаксом как ра˝з

èназывается угол смещения наблюдаемого тела. Фотометрический расчет производится, исходя из следую-

щего уравнения, в котором связываются действительная зве˝з- дная величина (M), видимая звездная величина (m), расстояние до тела (D) и показатель поглощения света в пространстве A (r):

m – M = 5 lg D – 5 + A (r)

Действительной звездной величиной при этом называют видимую величину звезды, если бы она находилась от нас на расстоянии 10 парсеков (1 парсек = 3,26 светового года). Это расстояние условно принято за образцовое.

Существуют особые звезды (так называемые «цефеиды»), которые периодически меняют свою светимость (блеск), при- чем с такой точностью, что по ним можно сверять часы.

Замечено, что чем продолжительнее период изменения блеск˝а у таких звезд, тем больше у них действительная звездная величина, и зависимость эта прямая. А действительная звездная величина (М), видимая с Земли звездная величина (m) и расстояние от звезды до Земли (D), выраженное в парсеках, связаны между собой, по расчетам, вполне определенным образом, а именно:

lg D = 0,2 (m – M) + 1

Сверхбольшие и сверхновые звезды имеют предположительно определенную наибольшую светимость (действитель˝- ную звездную величину). Определяют ее через расстояние до˝ этих звезд. А само расстояние вычисляют по «нижним» методам (тригонометрия и цефеиды). Затем полученные данные используются для расчета расстояний до тех звезд, для кот˝о- рых тригонометрический и цефеидный методы уже не действуют.

Наконец, более или менее твердо установлено, что чем дальше от нас звездное скопление (галактика), тем быстрее оно от нас удаляется, что выражается в смещении линий в его˝ спектре ко красному концу. Следовательно, красное смещени˝е

94

может быть использовано как показатель того, насколько далеко от Земли находится небесное тело или скопление таких тел. Такова суть последнего метода.

Можно заметить, что «нижние» методы дают, скорее всего, более точные величины, а «верхние» – очень приблизительные. Правда, когда речь идет о миллионах, а тем более миллиардах световых лет (если такие расстояния вообще на самом деле существуют), погрешность в десятки и даже в сотни тысяч световых лет уже не имеет большого значения.

Метагалактика и мир (вселенная). Введем основные понятия. Будем называть миром (мирозданием, вселенной) все существующее, а метагалактикой – ту часть мира, котора˝я доступна нашим наблюдениям. Эти определения примерно соответствуют тем, которые используются в современной ас˝- трономии и физике. Полного соответствия, однако, нет, поскольку разные исследователи используют вышеприведенны˝е понятия по-разному. Например, довольно часто, говоря «вселенная», имеют в виду метагалактику, а говоря «метагалакт˝и- ка», имеют в виду все мироздание в целом. Это создает известную путаницу.

Мы предложили бы в данном случае вообще не употреблять слово «вселенная», поскольку изначально оно имело, если так можно выразиться, очень «маленький» смысл – оно обозначало всего лишь заселенную людьми часть Земли (и попало в русский язык как буквальный перевод греческого слова «ойкумена»).

Из вышеприведенных определений вытекают некоторые важные следствия, а именно: мир один (двух и более миров быть не может), не имеет внешних размеров. а только внутренние (поскольку все, что существует, существует внутри него), не увеличивается и не уменьшается (это выводится из˝ предыдущего), конечен или бесконечен по объему, но в том и в другом случае не имеет границ.

Если метагалактика не то же самое, что мир, то метагалактик может быть много (ведь любая из них есть лишь некоторая часть мира), они имеют и внутренние и внешние размеры, могут увеличиваться и уменьшаться, непременно имеют˝ границы и конечны по объему (поскольку наблюдать бесконечность невозможно, а понятие «метагалактика» тесно свя˝зано с наблюдателем).

При таком взгляде на вещи следует понять, что о мире как целом известно только то, что изложено выше, а все естественнонаучное знание относится к метагалактике.

95

По современным данным примерно 13–14 миллиардов лет назад (последнее на сегодня значение, как уже сообщалось, 13,798 ± 0,037) все вещество метагалактики было сосредото- чено в сверхмалом объеме – меньше атомного ядра (состояние «сингулярности»). Затем по неизвестным причинам вещество стало стремительно расширяться. Это явление получил˝о условное название «большой взрыв». Представление о «боль˝- шом взрыве» есть почти прямое следствие решений уравнений общей теории относительности.

Что происходило с момента взрыва до момента 10–43 секунды, неизвестно: на сегодня не существует теорий, которы˝е могли бы это объяснить. Дальнейшие основные события:

10–43 с.: рождение частиц; 10–43 – 10–35 с.: отделение тяготения от единого взаимодействия,

которое становится теперь электро-слабо-сильным; 10–35 – 10–31 с.: ускоренное раздувание метагалактики (так назы-

ваемая инфляция); первичные квантовые неоднородности пре˝- допределяют дальнейшую структуру видимого мира; происхо˝- дит вторичный нагрев вещества;

10–31 – 10–12 с.: пространство заполняется кварками, глюонами, лептонами, фотонами, W- и Z-бозонами и бозонами Хиггса; нарушается суперсимметрия частиц;

10–12 – 10–6 с.: разделение всех четырех физических взаимодействий; пространство заполнено кварками, глюонами, фотонам˝и и лептонами;

10–6 – 1 с.: кварки сливаются в адроны; появляются первые ядра атомов водорода; барионы и антибарионы взаимно уничтожаю˝т- ся (аннигиляция), но барионов изначально было больше, поэт˝о- му они остались;

1 с. – 3 мин.: взаимное уничтожение лептонов и антилептонов; часть нейтронов распадается; вещество становится прозра˝чным для нейтрино;

3 мин. – 380 тыс. лет: появляются ядра атомов тяжелого водорода˝ (дейтерий) и гелия; вещество начинает преобладать над излу˝- чением; образуются атомы водорода, и пространство станови˝тся прозрачным для тепловых фотонов;

380 тыс. – 150 млн. лет: пространство заполнено водородом и гелием, реликтовым излучением, излучением атомарного вод˝о- рода на волне 21 см.;

150 млн. – 1 млрд. лет: из водородных облаков образуются первые звезды, квазары и галактики; происходит вторичная ион˝и- зация атомов водорода излучением звезд и квазаров;

96

1–8,9 млрд. лет: образование газопылевого облака, из которого˝ возникла наша планетная система;

8,9–9,2 млрд. лет: возникновение Солнца и планет.

Эти последние события, таким образом, произошли примерно 4,5 миллиарда лет назад.

Вопросы о том, что было до «большого взрыва» и что находится за пределами метагалактики, остаются открытым˝и. Все сущее, говорят иногда физики, возможно, представляет собой нечто такое, что можно сравнить с пеной – простран- ственно-временной, бесконечной, сверхплотной и одновреме˝н- но пустой. Пене же, как известно, свойственно пениться, пузыриться, а в пустоте, как предполагается, имеет место отри˝- цательное давление, действует внутреннее отталкивание, а˝ не притяжение. Вот откуда взялось сравнение с пеной. Все это якобы и происходит на самом деле. И те пузыри суть не что иное, как метагалактики, в одной из которых существуем мы. Так было, так есть и так будет – в этой пространственновременной пене миры зарождаются, расцветают и умирают по прихоти случая, т. е. квантово-механической неопределенно˝с- ти.

Мысль о том, что сверхплотное состояние вещества подобно пустоте, возникла в 1969 году. Ее высказал русский физик Эраст Глинер. Гипотезы о пространственно-временной пене˝ и об инфляционном расширении пространства на ранних этапа˝х развития метагалактики независимо друг от друга разрабо˝тали в начале 1980-х годов Алексей Старобинский (Россия, род. 1948), Алан Гут (США, род. 1947) и Андрей Линде (Россия – США, род. 1948). Гипотеза Старобинского, в свое время оставшаяся почти незамеченной, ныне считается наиболее близкой к истине. Она предлагает такую картину инфляции и первичных квантовых флуктуаций, которая лучше соответствует наблюдательным данным.

Сейчас видимая часть мира, как принято считать, продолжает расширяться. По косвенным признакам определяется, что расстояние между галактиками увеличивается – они разлетаются в разные стороны. Как долго это будет продолжать˝- ся – не известно. Здесь можно только рассматривать возмож˝- ности. Вот первая из них:

через 1014 лет: погаснут все обычные звезды, превратившись в «белые карлики», «нейтронные капли» и «черные дыры»;

97

через 1019 лет: звезды, оставшиеся в галактиках, сольются в «черные дыры», однако из-за случайных ускорений девять из каждых десяти звезд к тому времени покинут свои галактики;

через 1032 лет: распадутся протоны, а вслед за ними нейтроны, поскольку они устойчивы только в присутствии протонов (в ходе разложения тех и других образуются фотоны, нейтрино, и электроны); в итоге все обычное вещество исчезнет, так больше уже не будет атомов;

через 10100 лет: испарятся все «черные дыры»; останется так называемая «лептонная пустыня» – чрезвычайно разряженная совокупность разлетающихся электронов, нейтрино, фотонов и позитронов.

После этого существенных изменений уже не произойдет, если только не вступят в действие какие-то неизвестные се˝й- час законы природы.

Âконце ХХ века по косвенным данным как будто установили, что метагалактика расширяется не с постоянной скоро˝- стью, а ускоренно. Это явление попытались объяснить, введя˝ понятие о «темной энергии», обладающей свойством отталки˝- вания. По приблизительным оценкам, обычного видимого вещества в метагалактике не более 5% от ее полного состава, около 20% приходится на «темное» (невидимое) вещество, 75% – на «темную» энергию. Открытие ускоренного расширения привело к появлению еще одного предсказания: через 20–50 миллиардов лет произойдет так называемый «большой разрыв» – полное расслоение вещества наблюдаемой части мироздания.

Возможности того, что протон окажется устойчивой элементарной частицей, что расширение метагалактики однажд˝ы сменится сжатием или будет бесконечно замедляться, в наст˝о- ящее время считаются маловероятными. Впрочем, расчеты по-˝ казывают, что даже при устойчивости протона метагалактик˝у все равно ждет превращение в «лептонную пустыню» – только случится это несколько позже.

Âлюбом случае мы видим, что конец нашего мира с естественнонаучной точки зрения оказывается не слишком пр˝и- влекательным.

ЗООЛОГИЯ

Споры о возникновении животных (XVII век). Жан-Ба- тист ван Гельмонт (Голландия, 1577–1644), известный алхимик и герметик, последователь Парацельса, предложил в сво˝е время забавный способ искусственного получения мышей: нужно положить в сосуд грязное нижнее белье, насыпать зерно, налить немного воды. Через некоторое время следует ожидать самозарождения мышей. Ван Гельмонт утверждал, что у него такой опыт увенчался успехом. И это совсем неудивительно. Или животные в те времена были другие, или люди воспринимали все иначе. Посмотрим, например, что пишет сам Парацельс: на теле уже мертвого зимородка перья продолжают расти и выпадать еще в течение нескольких лет;˝ когда у медведя неумеренный приток крови к глазам ослабляет зрение, он отправляется к ульям, чтобы пчелы жалили его в распухшие вены; олень поедает ясенец как лекарство; собаки и змеи используют драконов корень и переступень в качестве укрепляющего и слабительного соответственно; ц˝апля сама себе делает очистительное промывание клювом, пус-˝ кая морскую воду в задний проход. И так далее…

Вильям Гарвей (Британия, 1578–1657) в книге «Исследование о зарождении животных» (1651) заявил, что все известные ему существа развиваются из соответствующих зародышей. Основываясь на этом, Гарвей выдвинул свое знаменитое˝ положение: все живое из яйца. Вероятно, именно оно породило нелепые споры о том, что было раньше – яйцо или курица. Ведь если все живое из яиц, то откуда эти последние могли взяться?..

В 1688 году итальянец Франческо Реди (1626–1698) показал, что самозарождение – вещь весьма сомнительная. Он взял куски мяса и рыбы и поместил их в разные сосуды, из которых одни оставил открытыми, а другие очень тщательно запечатал. И вот в этих последних он даже по прошествии очень многих дней не заметил появления никаких живых существ, тогда как мясо и рыба на открытом воздухе скоро стали добычей каких-то червей. Но червей, скорее всего, занесли мухи, – Реди это заметил. Опыт показывал, что живое

99

порождается живым, а само по себе из неживого не возникает…

Семнадцатое столетие было отмечено такими важными событиями, как изобретение микроскопа и открытием клеточ˝- ного строения животных и растений. Об этом подробнее в дальнейшем.

Представления о животном мире и его развитии (XVIII век). В 1693 году Джон Рей (Британия, 1627–1705) впервые в зоологии использовал понятие «вид». Выделение видов, согласно Рею, следовало производить по двум призна˝- кам – большое внешнее сходство особей и их свободное скре˝- щивание с передачей потомкам своих признаков.

В XVIII веке, по-видимому, преобладала точка зрения о том, что виды не связаны между собой, хотя и изменяются. О происхождении видов были разногласия: одни говорили, что они сотворены богом, другие – что возникли сами собой.

Карл Линней (Швеция, 1707–1778) в своей книге «Система природы» (1735) предложил использовать для описания царств живых существ пять степеней общности: класс, отряд˝ (порядок), род, вид и вариация. Классов животных при этом Линней насчитал шесть: насекомые, черви, рыбы, двоякодышащие, птицы и млекопитающие; классов растений – двадцать четыре. При этом млекопитающие были выделены впервые. Линней признал таковыми тех животных, у которых имеются молочные железы. Что касается самих царств, то их было три – минеральное, растительное и животное. В наши дни все эти подразделения большинством зоологов считают˝ся произвольными. Линней больше склонялся к мысли о неизменности видов, полагая, что когда-то в древности они были созданы по отдельности. Однако он все же допускал возможность появления новых видов вследствие скрещивания. Признак видового единства, по Линнею, – внешнее и внутреннее сходство. Линей описал около 10 тысяч растений (из них 1,5 тысячи – впервые) и около 4,2 тысяч животных. К концу XVIII века животных было описано уже примерно 20 тысяч видов.

Примерно так же о видах думал и современник Линнея Жорж Бюффон (Франция, 1707–1788): они или созданы, или каким-то образом сами собой возникли в разное время – связи между ними нет. После появления виды меняются под действием окружающей среды, причем изменения передаются потомству. К одному виду относятся особи, способные скрещиваться и давать плодовитое потомство.

100