ратное (формально этому соответствует замена во всех формулах знака перед параметром время). Данная симметрия указывает, что направление возрастания времени несущественно, поэтому процесс, обратный любому возможному процессу, есть также возможный процесс. Другими словами, установить путем наблюдения, происходит ли развитие событий вперед или назад во времени, нельзя.

Понятие симметрии и связанные с ним закономерности позволяют подойти к важной проблеме живого и неживого, развития организмов, т.е. происхождения и сущности жизни.

Внастоящее время установлено, что основной структурной единицей жизни является клетка, состоящая из ядра и цитоплазмы.

Вядро входят построенные из белков и нуклеиновых кислот хромосомы, которые определяют наследственность. Непосредственными носителями генетической информации являются гены, составляющие макромолекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Всему живому присуща универсальность генетического кода. Следовательно, все живое на Земле в этом смысле едино.

Чем отличаются “живые” молекулы от “неживых”? Исследования показали, что это отличие связано с зеркальной симметрией.

Рассмотрим пространственные модели двух молекул – неорганического вещества воды и органического – бутилового спирта.

Принципиальное различие между этими молекулами состоит в том, что молекула воды зеркально симметрична, а молекула спирта – зеркально асимметрична, т.е. “левая” и “правая” молекулы не совпадают, как левая и правая перчатки. Такие молекулы называют стереоизомерами, а свойство зеркальной асимметрии молекулы – хиральностью (хира – от греч. “рука”). Хиральностью могут обладать как живые, так и неживые молекулы, но при этом молекулы, из которых построены живые организмы, всегда хиральны.

Самое существенное отличие состоит в том, что “неживые” хиральные молекулы одинаково часто встречаются в природе в “левом” и “правом” варианте, а “живые” – исключительно одной ориентации – “левой” или “правой”. Говорят, что молекулы живых организмов хирально чисты. Так, молекула ДНК имеет вид спирали и всегда “правая”. В.И. Вернадский полагал, что данное обстоятельство определяет границу между живой и неживой природой. Характерная черта жизни

–способность живых организмов изготавливать из симметричных и хирально нечистых молекул, извлекаемых из окружающей среды, хирально чистые молекулы. Так, например, растение в процессе фотосинтеза из симметричных молекул воды и углекислого газа синтезирует асимметричные молекулы крахмала и сахара. Эти и другие вещества (жиры, белки) поступают с пищей в организм, где из них вырабатываются уже хирально чистые молекулы.

Если хиральность молекул веществ, входящих в пищу, изменится на противоположную, то эти вещества окажутся биологически ядовитыми. Они в лучшем случае не воспринимаются организмом, в худшем – отравляют его (так, гайка с левой резьбой не подходит к “правому” болту).

Всуществовании живых организмов симметрия и асимметрия тесно связаны. Так, внешне человек и животные симметричны, однако внутреннее строение их существенно асимметрично (хотя имеются и симметричные парные органы: почки, легкие и др.). Полушария мозга, хотя и симметричны внешне, по функциям резко отличаются.

Устойчивое сохранение определенных свойств вида в поколениях (наследственность) также есть один из видов симметрии. Впротивоположность этому в изменчивости проявляется асимметрия.

2.18. Космология – наука об эволюции Вселенной

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого – космология.

Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения – общей теории относительности – Эйнштейном (1916). Из уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью мас-

38

сы (энергии). Применив общую теорию относительности к Вселенной в целом, Эйнштейн обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.

Вначале 20-х годов советский математик А.А. Фридман впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности. Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии.

В1929 году американский астроном Э. Хаббл опубликовал статью «Связь между расстоянием

илучевой скоростью внегалактических туманностей», в которой пришел к выводу: «Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость» (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла).

Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта – красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Доплера, в спектрах галактик.

Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной.

Всоответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно: все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается.

Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации.

Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии – модели «горячей Вселенной».

Вэтой модели основное внимание переносится на состояние вещества и физические процессы, происходящие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным.

С построением модели «горячей Вселенной» в космологии наряду с законами тяготения активно применяются законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика.

Модель «горячей Вселенной» получила эмпирическое подтверждение в 1965 году в открытии реликтового излучения американскими учеными Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение – одна из составляющих общего фона космического электромагнитного излучения. Реликтовое излучение равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела при температуре около 3 К.

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось – кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3 К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим взрывом.

Воснове современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом.

39

По теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и замкнутая. В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием.

На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) – величину не достаточно определенную по данным наблюдений.

Вмоделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное состояние – сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.

Значение постоянной Хаббла (вернее, параметра Хаббла) определяет время, истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 10-20 млрд. лет.

Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц.

Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение ее физических параметров в процессе расширения. Из этих уравнений следует, что начальные высокие плотность и температура быстро падали. Общие

законы физики надежно проверены при ядерных плотностях, а такую плотность Вселенная имеет спустя10-4 сотначала расширения. Следовательно, с этого времени от состояния сингулярности физические свойства эволюционирующей Вселенной вполне поддаются изучению (в ряде случаев эту границу отодвигают непосредственно к сингулярности).

Впоследние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило

теоретически рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту времени около 10-36 с. Эту стадию расширения Вселенной назвали инфляционной. На этой стадии, когда температура была невероятно высока (больше 1028 К), Вселенная расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. До момента рекомбинации, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в эпоху, предшествующую рекомбинации. На сегодняшний день это можно сделать с помощью теоретических моделей.

Вначале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии фотонов хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. При температуре 1013 К во Вселенной рождались и гибли (аннигилировали) пары различных частиц и их античастиц. При понижении тем-

пературы до 5×1012 К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых «не хватило» античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих «избыточных» протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.

При температуре 2×1010 К с веществом перестали взаимодействовать нейтрино – от этого момента должен был остаться «реликтовый фон нейтрино», обнаружить который, возможно, удастся в будущем.

Спустя несколько секунд после начала расширения Вселенной началась эпоха, когда образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия – эпоха первичного нуклеосинтеза. Продолжалась эта эпоха приблизительно 3 минуты. Ее результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества.

Определение химического состава (особенно содержание гелия, дейтерия и лития) самых старых звезд и межзвездной среды молодых галактик является одним из способов проверки выводов теории горячей Вселенной.

40

После эпохи нуклеосинтеза (длительность около 3 мин.) и до эпохи рекомбинации (длительность около 106 лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной.

Сразу после рекомбинации еще не было никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т.д.) кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные «облака», из которых сформировались галактики. От рекомбинации до появления первых галактик и звезд прошли сотни миллионов лет.

2.19. Солнечная система

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 нами небесных объектов являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая и Землю), которые обращаются вокруг Солнца (его радиус – 700 тыс. км, т.е. в 100 раз превышает радиус Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Вся группа планет вместе с Солнцем называется Солнечной системой. Планеты, хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Планеты видны только потому, что они отражают солнечный свет, и, поскольку они гораздо ближе к Земле, этот свет кажется очень ярким. Но если бы мы перенесли к ближайшей из звезд наши самые мощные телескопы, то не смогли бы с их помощью даже различить эти ничтожные спутники Солнца.

Кроме планет в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и спутник Земли – Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Расположены планеты в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник – Луна), Марс (два спутника – Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), 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 половиной раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди великого множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного 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, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, и есть только некоторые косвенные указания. Другими словами, современная астрономия исходит из идеи множественности планетных систем во Вселенной. Хотя это – гипотетическое предположение и строгих его доказательств пока не существует.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосфера и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены).

По физическим характеристикам планеты делятся на 2 группы:

1.Планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля, Марс.

2.Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Три из них (Венера, Земля и Марс) обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Только Земля имеет жидкую оболочку из воды – гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера – лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы – дефицит воды на Венере.

41

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь у Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах веществ земных 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) оболочку.

3.Ядро – наиболее плотная часть планетных недр.

У Земли ядро, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000-5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры, у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространенные элементы в твердом «теле» Земли –Fe (6%), О (5%) , Si (2%) и Mg (7 %).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов – очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна тяжелых элементов, по-видимому, больше.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого каменного ядра. Температура в центре Юпитера ~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 могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и гравитационная дифференциация (постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью – тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают). Подобное перераспределение на Земле еще далеко не завершилось. Такие процессы влияют на земную кору, вызывая перемещения отдельных ее участков, деформацию, горообразование – тектонические и вулканические процессы. Вулканические процессы связаны с тем, что в верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс.

Поверхность планет и их спутников формируют кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов и экзогенные – изменение поверхности в результате падения метеорных тел (кратеры), эрозии под действием ветра, осадков, воды, ледников, химического взаимодействия поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют формы рельефа поверхности планет.

Предполагается, 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 Солнце. Образование звезд и планетных систем

– это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости. Таким образом, протопланетная туманность образовалась, по-видимому, вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным ( присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов.

Допланетное облако должно было быть маломассивным. Если бы оно было больше 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образова-

42