ГЛАВА II ЗАРОЖДЕНИЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ИДЕЙ

2.1. Первые модели Мира

Звездное небо во все времена занимало воображение людей. Почему зажигаются звезды? Сколько их сияет в ночи? Далеко ли они от нас? Есть ли границы у звездной Вселенной? С глубокой древности человек задумывался над этими и многими другими вопросами, стремился понять и осмыслить устройство того большого мира, в котором мы живем.

Самые ранние представления людей о нем сохранились в сказках и легендах. Прошли века и тысячелетия, прежде чем возникла и получила глубокое обоснование и развитие наука о Вселенной, раскрывшая нам замечательную простоту, удивительный порядок мироздания. Недаром еще в древней Греции ее называли Космосом. Это слово первоначально означало «порядок», «красота».

Системы мира - это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, планет, звезд и других небесных тел.

В древнеиндийской книге, которая называется «Ригведа», что значит «Книга гимнов», можно найти описание - одно из самых первых в истории человечества - всей Вселенной как единого целого. Согласно «Ригведе», она устроена не слишком сложно. В ней имеется, прежде всего, Земля. Она представляется безграничной плоской поверхностью - «обширным пространством». Эта поверхность покрыта сверху небом. А небо - это голубой, усеянный звездами «свод». Между небом и Землей - «светящийся воздух».

От науки это было очень далеко. Но важно здесь другое. Замечательна и грандиозна сама дерзкая цель - объять мыслью всю Вселенную. Отсюда берет истоки уверенность в том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать ее устройство, создать в своем воображении полную картину мира.

Движение планет. Наблюдая за годичным перемещением Солнца среди звезд, древние люди научились заблаговременно определять наступление того или иного времени года. Они разделили полосу неба вдоль эклиптики на 12 созвездий, в каждом из которых Солнце находится примерно месяц. Как уже отмечалось, эти созвездия были названы зодиакальными. Все они, за исключением одного, носят названия животных.

С предутренним восходом того или иного созвездия древние люди связывали свои сельскохозяйственные работы, и это отражено в самих названиях созвездий. Так, появление на небе созвездия Водолея указывало

102

на ожидаемое половодье, появление Рыб - на предстоящий ход рыбы для метания икры. С утренним появлением созвездия Девы начиналась уборка хлеба, которая проводилась преимущественно женщинами. Спустя месяц на небе появлялось соседнее созвездие Весы, в это время как раз происходило взвешивание и подсчет урожая.

Еще за 2000 лет до н. э. древние наблюдатели заметили среди зодиакальных созвездий пять особых светил, которые, постоянно меняя свое положение на небе, переходят из одного зодиакального созвездия в другое. В последствии греческие астрономы назвали эти светила планетами, т.е. «блуждающими». Это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, сохранившие в своих названиях до наших дней имена древнеримских богов. К блуждающим светилам были причислены также Луна и Солнце.

Вероятно, прошло много столетий, прежде чем древним астрономам удалось установить определенные закономерности в движении планет и, прежде всего, установить промежутки времени, по истечении которых положение планеты на небе по отношению к Солнцу повторяется. Этот промежуток времени позже был назван синодическим периодом обращения планеты. После этого можно было делать следующий шаг - строить общую модель мира, в которой для каждой из планет было бы отведено определенное место и, пользуясь которой, можно было бы заранее предсказать положение планеты на несколько месяцев или лет вперед.

По характеру своего движения на небесной сфере по отношению к Солнцу планеты (в нашем понимании) подразделяются на две группы. Меркурий и Венера названы внутренними или нижними, остальные - внешними или верхними.

Угловая скорость Солнца больше скорости прямого движения верхней планеты. Поэтому Солнце постепенно обгоняет планету. Как и для внутренних планет, в момент, когда направление на планету и на Солнце совпадает, наступает соединение планеты с Солнцем. После того как Солнце обгонит планету, она становится видимой перед его восходом, во второй половине ночи. Момент, когда угол между направлением на Солнце и направлением на планету составляет 180 градусов, называется противостоянием планеты. В это время она находится в середине дуги своего попятного движения. Удаление планеты от Солнца на 90 градусов к востоку называется восточной квадратурой, а на 90 градусов к западу - западной квадратурой. Все упомянутые здесь положения планет относительно Солнца

(с точки зрения земного наблюдателя) называются конфигурациями.

При раскопках древних городов и храмов Вавилонии обнаружены десятки тысяч глиняных табличек с астрономическими текстами. Их расшифровка показала, что древне вавилонские астрономы внимательно следили за положением планет на небе; они сумели определить их синодические периоды обращения и использовать эти данные при своих расчетах.

Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов

103

древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились взгляды, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Солнце восходит утром, выходя из восточных ворот, и заходит через западные ворота, а ночью оно движется под Землей.

Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.

В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный дракон будто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку. Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтому все небесные светила движутся с востока на запад.

И лишь в греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в четвертом веке до нашей эры началось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины.

Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский (ок. 530 - 470 гг. до н. э.). Это ему принадлежат слова: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...» Тогда же Пифагор Самосский (ок. 580 - 500 гг. до н. э.) высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеет форму шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты. В центре мира в этой модели помещалась Земля, вокруг нее вращались сферы Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всех находилась сфера неподвижных звезд.

Первую теорию строения мира, объясняющую прямое и попятное движение планет, создал греческий философ Евдокс Книдский (ок. 408 - 355 гг. до н. э.). Он предложил, что у каждой планеты имеется не одна, а несколько сфер, скрепленных друг с другом. Одна из них совершает один оборот в сутки вокруг оси небесной сферы по направлению с востока на запад. Время обращения другой (в обратную сторону) предполагалось равным периоду обращения планеты. Тем самым объяснялось движение

104

планеты вдоль эклиптики. При этом предполагалось, что ось второй сферы наклонена к оси первой под определенным углом. Комбинация с этими сферами еще двух позволяла объяснить попятное движение по отношению к эклиптике. Все особенности движения Солнца и Луны объяснялось с помощью трех сфер. Звезды Евдокс разместил на одной сфере, вмещающей в себя все остальные. Таким образом, все видимое движение небесных светил Евдокс свел к вращению 27 сфер.

Уместно напомнить, что представление о равномерном, круговом, совершенно правильном движении небесных тел высказал философ Платон. Он же высказал предположение, что Земля находится в центре мира, что вокруг нее обращается Луна, Солнце, далее утренняя звезда Венера, звезда Гермеса, звезды Ареса, Зевса и Кроноса. У Платона впервые встречаются названия планет по имени богов, полностью совпадающие с вавилонскими. Платон впервые сформулировал математикам задачу: найти, с помощью каких равномерных и правильных круговых движений можно «спасти явления, представляемые планетами». Другими словами, Платон ставил задачу построить геометрическую модель мира, в центре которой, безусловно, должна была находиться Земля.

Усовершенствованием системы мира Евдокса занялся ученик Платона Аристотель (384 - 322 гг. до н.э.). Так как взгляды этого выдающегося философа - энциклопедиста безраздельно господствовали в физике и астрономии в течение почти двух тысяч лет, то остановимся на них поподробнее.

Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (ок. 490 - 430 гг. до н.э.), предположил существование четырех «стихий»: земли, воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела, встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образом стремятся двигаться к центру мира («вниз»), тогда как огонь и воздух движутся «вверх» к периферии и то тем быстрее, чем ближе они к своему «естественному» месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь. По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее движение вечно, не имеет ни конца, ни начала. Это возможно как раз потому, что, кроме упомянутых четырех элементов, существует еще и пятая, неуничтожимая материя, которую Аристотель назвал эфиром. Из эфира будто бы и состоят все небесные тела, для которых вечное круговое движение - это естественное состояние. «Зона эфира» начинается около Луны и простирается вверх, тогда как ниже Луны находится мир четырех элементов. Вот как описывает свое понимание мироздания сам Аристотель: «Солнце и планеты обращаются около Земли, находящейся неподвижно в центре мира. Наш огонь, относительно цвета своего, не имеет никакого сходства со светом солнечным, ослепительной белизны. Солнце не состоит из огня; оно есть огромное скопление эфира; теплота Солнца причиняется действием его на эфир во время об-

105

ращения вокруг Земли. Кометы суть скоропреходящие явления, которые быстро рождаются в атмосфере и столь же быстро исчезают. Млечный Путь есть не что иное, как испарения, воспламененные быстрым вращением звезд около Земли... Движения небесных тел, вообще говоря, происходят гораздо правильнее, чем движения, замечаемые на Земле; ибо, так как тела небесные совершеннее любых других тел, то им приличествует самое правильное движение, и, вместе с тем, самое простое, а такое движение может быть только круговым, потому что в этом случае движение бывает и равномерным. Небесные светила движутся свободно, подобно богам, к которым они ближе, чем к жителям Земли; поэтому светила при движении своем не нуждаются в отдыхе и причину своего движения заключают в самих себе. Высшие области неба, более совершенные, содержащие в себе неподвижные звезды, имеют поэтому наиболее совершенное движение - всегда вправо. Что же касается части неба, ближайшей к Земле, а поэтому и менее совершенной, то эта часть служит местопребыванием гораздо менее совершенных светил, каковы планеты. Эти последние движутся не только вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитам неподвижных звезд. Все тяжелые тела стремятся к центру Земли, а так как всякое тело стремится к центру Вселенной, то поэтому и Земля должна находиться неподвижно в этом центре». При построении своей системы мира Аристотель использовал представления Евдокса о концентрических сферах, на которых расположены планеты и которые вращаются вокруг Земли. По Аристотелю, первопричиной этого движения является «первый двигатель» - особая вращающаяся сфера, расположенная за сферой «неподвижных звезд», которая и приводит в движение все остальное. По этой модели лишь одна сфера в каждой из планет вращается с востока на запад, остальные три - в противоположном направлении. Аристотель считал, что действие этих трех сфер должно компенсироваться дополнительными тремя внутренними сферами, принадлежащими той же планете. Именно в этом случае на каждую последующую (по направлению к Земле) планету действует лишь суточное вращение. Таким образом, в системе мира Аристотеля движение небесных тел описывалось с помощью 55 твердых хрустальных сферических оболочек.

Позже в этой системе мира было выделено восемь концентрических слоев (небес), которые передавали свое движение друг другу. В каждом таком слое насчитывалось семь сфер, движущих данную планету.

Во времена Аристотеля высказывались и другие взгляды на строение мира, в частности, что не Солнце обращается вокруг Земли, а Земля вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Против этого Аристотель выдвинул серьезный аргумент: если бы Земля двигалась в пространстве, то это движение приводило бы к регулярному видимому перемещению звезд на небе. Как мы знаем, этот эффект (годичное параллактическое смещение звезд) был открыт лишь в середине XIX века, через 2150 лет после Аристотеля...

106

На склоне своих лет Аристотель был обвинен в безбожии и бежал из Афин. На самом деле в своем понимании мира он колебался между материализмом и идеализм. Его идеалистические взгляды и, в частности, представление о Земле как центре мироздания было приспособлено для защиты религии. Вот почему в середине второго тысячелетия нашей эры борьба против взглядов Аристотеля стала необходимым условием развития науки...

Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.

Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н.э.) предполагал, что Земля движется «...вращательно, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра». Он высказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.

Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (ок. 310 - 230 гг. до н.э.). Выдающийся древнегреческий ученый Архимед (ок. 287 - 212 гг. до н.э.) в своем сочинении «Псаммит» («Исчисление песчинок»), обращаясь к Гелону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так: «Ты знаешь, что, по представлению некоторых астрономов, мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих «Предложениях», написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир гораздо больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности».

Становление астрономии как точной науки началось благодаря работам выдающегося греческого ученого Гиппарха. Он первый начал систематические астрономические наблюдения и их всесторонний математический анализ, заложил основы сферической астрономии и тригонометрии, разработал теорию движения Солнца и Луны и на ее основе - методы предвычисления затмений.

Гиппарх обнаружил, что видимое движение Солнца и Луны на небе является неравномерным. Поэтому он стал на точку зрения, что эти светила движутся равномерно по круговым орбитам, однако центр круга сме-

107

щен по отношению к центру Земли. Такие орбиты были названы эксцентрами. Гиппарх составил таблицы, по которым можно было определить положение Солнца и Луны на небе на любой день года. Что же касается планет, то, по замечанию Птолемея, он «не сделал других попыток объяснения движения планет, а довольствовался приведением в порядок сделанных до него наблюдений, присоединив к ним еще гораздо большее количество своих собственных. Он ограничился указанием своим современникам на неудовлетворительность всех гипотез, при помощи которых некоторые астрономы думали объяснить движение небесных светил».

Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались от мнимых хрустальных сфер, предположенных Евдоксом, и перешли к более сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов, предложенных еще до Гиппарха Аполлоном Пергским. Классическую форму теории эпициклических движений придал Клавдий Птолемей.

Система мира Птолемея

Главное сочинение Птолемея «Математический синтаксис в 13 книгах» или, как его назвали позже арабы, «Альмагест» («Величайшее») стал известным в средневековой Европе лишь в XII в. В 1515 г. он был напечатан на латинском языке в переводе с арабского, а в 1528 г. в переводе с греческого. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке. В 1912 г. он издан на немецком языке.

«Альмагест» - это настоящая энциклопедия античной астрономии. В этой книге Птолемей сделал то, что не удавалось сделать ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты на любой наперед заданный момент времени. Это ему далось нелегко, и в одном месте он заметил: «Легче, кажется, двигать самые планеты, чем постичь их сложное движение...».

Комбинируя наблюдения с расчетами, Птолемей методом последовательных приближений получил, что отношения радиусов эпициклов к радиусам деферентов для Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна равны соответственно 0.376, 0.720, 0.658, 0.192 и 0.103. Любопытно, что для предвычисления положения планеты на небе не было необходимости знать расстояния до планеты, а лишь упомянутое отношение радиусов эпициклов и деферентов.

При построении своей геометрической модели мира Птолемей учитывал тот факт, что в процессе своего движения планеты несколько отклоняются от эклиптики. Поэтому для Марса, Юпитера и Сатурна он «наклонил» плоскости деферентов к эклиптике и плоскости эпициклов к плоскостям деферентов. Для Меркурия и Венеры он ввел колебания вверх и вниз с помощью небольших вертикальных кругов. В целом для объяснения всех замеченных в то время особенностей в движении планет Птолемей ввел

108

40 эпициклов. Система мира Птолемея, в центре которой находится Земля, называется геоцентрической.

Кроме отношения радиусов эпициклов и деферентов для сопоставления теории с наблюдениями необходимо было задать периоды обращения по этим кругам. По Птолемею, полный оборот по окружности эпициклов все верхние планеты совершают за тот же промежуток времени, что и Солнце по эклиптике, т. е. за год. Поэтому радиусы эпициклов этих планет, направленные к планетам, всегда параллельны направлению с Земли на Солнце. У нижних планет - Меркурия и Венеры - период обращения по эпициклу равен промежутку времени, в течение которого планета возвращается к исходной точке на небе. Для периодов обращений центра эпицикла по окружности деферента картина обратная. У Меркурия и Венеры они равны году, поэтому центры их эпициклов всегда лежат на прямой, соединяющей солнце и Землю. Для внешних планет они определяются временем, в течение которого планета, описав полную окружность на небе, возвращается к тем же звездам.

Вслед за Аристотелем Птолемей попытался опровергнуть представление о возможном движении Земли. Он писал: «Существуют люди, которые утверждают, будто бы ничто не мешает допустить, что небо неподвижно, а Земля вращается около своей оси от запада к востоку, и что она делает такой оборот каждые сутки. Правда, говоря о светилах, ничто не мешает для большей простоты допустить это, если принимать в расчет только видимые движения. Но эти люди не сознают, до какой степени смешно такое мнение, если присмотреться ко всему, что совершается вокруг нас и в воздухе. Если мы согласимся с ними, - чего в действительности нет, - что самые легкие тела вовсе не движутся или движутся так же, как и тела тяжелые, между тем как, очевидно, воздушные тела движутся с большей скоростью, чем тела земные; если бы мы согласились с ними, что предметы самые плотные и самые тяжелые имеют собственное движение, быстрое и постоянное, тогда как на самом деле они с трудом движутся от сообщаемых им толчков, - все-таки эти люди должны были бы сознаться, что Земля вследствие своего вращения имела бы движение значительно быстрее всех тех, какие происходят вокруг нее, ибо она совершала бы такую большую окружность в такой малый промежуток времени. Таким образом, тела, которые поддерживали бы Землю, казались бы всегда движущимися по противоположному с ней направлению, и никакое облако, ничто летящее или брошенное никогда не казалось бы направляющимся к востоку, ибо Земля опередила бы всякое движение в этом направлении».

С современной точки зрения, можно сказать, что Птолемей слишком переоценил роль центробежной силы. Он также придерживался ошибочного утверждения Аристотеля, что в поле тяжести тела падают со скоростями, пропорциональными их массам...

В целом же, как заметил А. Паннекук, «Математическое сочинение» Птолемея «было карнавальным шествием геометрии, праздником глубо-

109

чайшего создания человеческого ума в представлении Вселенной, труд Птолемея предстает перед нами как великий памятник науки античной древности...».

После высокого расцвета античной культуры на европейском континенте наступил период застоя и регресса. Этот мрачный промежуток времени продолжительностью более тысячи лет был назван средневековьем. Ему предшествовало превращение христианства в господствующую религию, при которой не было места для высокоразвитой науки античной древности. В это время произошел возврат к наиболее примитивным представлениям о плоской Земле.

И лишь начиная с XI в. под влиянием роста торговых отношений, с усилением в городах нового класса - буржуазии, духовная жизнь в Европе начала пробуждаться. В середине XIII в. философия Аристотеля была приспособлена к христианской теологии, отменены решения церковных соборов, запрещавших натурфилософские идеи великого древнегреческого философа. Взгляды Аристотеля на устройство мира вскоре стали неотъемлемыми элементами христианской веры. Теперь уже нельзя было сомневаться в том, что Земля имеет форму шара, установленного в центре мира, и что вокруг него обращаются все небесные светила. Система Птолемея стала как бы дополнением к Аристотелю, помогающим проводить конкретные расчеты положений планет.

Основные параметры своей модели мира Птолемей определил в высшей степени искусно и с высокой точностью. Со временем, однако, астрономы начали убеждаться в том, что между истинным положением планеты на небе и расчетным существуют расхождения. Так, в начале XII века планета Марс оказалась на два градуса в стороне от того места, где ей надлежало быть по таблицам Птолемея.

Чтобы объяснить все особенности движения планет на небе, приходилось вводить для каждой из них до десяти и более эпициклов со всё уменьшающимися радиусами так, чтобы центр меньшего эпицикла обращался по кругу большего. К XVI веку движение Солнца, Луны и пяти планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов! И всё же наблюдения, разделённые большими промежутками времени, было трудно «подогнать» под эту схему. Приходилось вводить новые эпициклы, несколько изменять их радиусы, смещать центры деферентов по отношению к центру Земли. В конечном итоге геоцентрическая система Птолемея, перегруженная эпициклами и эквантами, рухнула от собственной тяжести...

Система мира Коперника

Книга Коперника, вышедшая в год его смерти, в 1543 году, носила скромное название: «О вращении небесных сфер». Но это было полное ниспровержение взгляда Аристотеля на мир. Сложная махина полых прозрачных хрустальных сфер отошла в прошлое. С этого времени началась новая эпоха в нашем понимании Вселенной. Продолжается она и поныне.

110

Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положение в центре планетной системы. Земля же никакой не центр мира, а одна из рядовых планет, обращающихся вокруг Солнца. Так все стало на свои места. Строение Солнечной системы было наконец разгадано.

Дальнейшие открытия астрономов пополнили семью больших планет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открыто множество малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Но это не изменило новой Коперниковой картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждают и уточняют ее.

Теперь мы понимаем, что живем на небольшой планете, похожей на шар. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, не слишком отличающейся от окружности. Радиус этой окружности близок к 150 миллионам километров.

Расстояние от Солнца до Сатурна - самой дальней из известных во времена Коперника планет - приблизительно в десять раз больше радиуса земной орбиты. Это расстояние совершенно правильно определил еще Коперник. Размеры Солнечной системы - расстояние от Солнца до орбиты девятой планеты, Плутона, еще почти в четыре раза больше и составляет приблизительно 6 миллиардов километров.

Такова картина Вселенной в нашем непосредственном окружении. Это и есть мир по Копернику.

Но Солнечная система еще не вся Вселенная. Можно сказать, что это только наш маленький мирок. А как же далекие звезды? О них Коперник не рисковал высказывать никакого определенного мнения. Он просто оставил их на прежнем месте, на дальней сфере, где были они у Аристотеля, и лишь говорил, и совершенно правильно, что расстояние до звезд во множество раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным этой сферой.

В ясную безлунную ночь, когда ничто не мешает наблюдению, человек с острым зрением увидит на небосводе не более двух - трех тысяч мерцающих точечек. В списке, составленном во 2 веке до нашей эры знаменитом древнегреческим астрономом Гиппархом и дополненном позднее Птолемеем, значится 1022 звезды. Гевелий же, последний астроном, производивший такие подсчеты без помощи телескопа, довел их число до 1533.

Но уже в древности подозревали о существовании большого числа звезд, невидимых глазом. Демокрит, великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединение света множества невидимых по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Пути продолжались веками. Решение - в пользу догадки Демокрита - пришло в 1610 году, когда Галилей сообщил о первых открытиях, сделанных на небе

111

с помощью телескопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что теперь удалось «сделать доступными глазу звезды, которые раньше никогда не были видимыми и число которых, по меньшей мере, в десять раз больше числа звезд, известных издревле».

Но и это великое открытие всё ещё оставляло мир звёзд загадочным. Неужели все они, видимые и невидимые, действительно сосредоточены в тонком сферическом слое вокруг Солнца?

Ещё до открытия Галилея была высказана совершенно неожиданная, по тем временам замечательно смелая мысль. Она принадлежит Джордано Бруно, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идею о существовании множества миров и о том, что наше Солнце - это одна из звёзд Вселенной. Всего только одна из великого множества, а не центр всей Вселенной. Но тогда и любая другая звезда тоже вполне может обладать своей собственной планетной системой.

Если Коперник указал место Земли отнюдь не в центре мира, то Бруно и Солнце лишил этой привилегии.

Идея Бруно породила немало поразительных следствий. Из неё вытекала оценка расстояний до звёзд. Действительно, Солнце - это звезда, как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому-то оно такое большое и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы и оно выглядело так, как, например, Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астроном Гюйгенс (1629 - 1695). Он сравнил блеск этих двух небесных тел, и вот что оказалось: Сириус находится от нас в сотни раз дальше, чем Солнце.

Чтобы лучше представить, сколь велико расстояние до звезды, скажем, что луч света, пролетающий за одну секунду 300 тысяч километров, затрачивает на путешествие от Сириуса к нам несколько лет. Астрономы говорят в этом случае о расстоянии в несколько световых лет. По современным уточненным данным, расстояние до Сириуса - 8,7 световых лет. А расстояние от нас до солнца всего 8 световых минут.

Конечно, разные звезды отличаются друг от друга (это и учтено в современной оценке расстояние до Сириуса). Поэтому определение расстояний до них и сейчас часто остаётся очень трудной, а иногда и просто неразрешимой задачей для астрономов, хотя со времени Гюйгенса придумано для этого немало новых способов.

Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчет Гюйгенса стали решительным шагом к овладению тайными Вселенной. Благодаря этому границы наших знаний о мире сильно раздвинулись, они вышли за пределы Солнечной системы и достигли звёзд.

112

2.2. Изучение галактики - Млечный путь

С XVII века важнейшей целью астрономов стало изучение Млечного Пути - этого гигантского собрания звезд, которые Галилей увидел в свой телескоп. Усилия многих поколений астрономов - наблюдателей были нацелены на то, чтобы узнать, каково полное число звёзд Млечного Пути, определить его действительную форму и границы, оценить размеры. Лишь в XIX веке удалось понять, что это единая система, заключающая в себе все видимые звёзды. На равных правах со всеми входит в эту систему и наше Солнце, а с ним Земля и планеты. Причем располагаются они далеко не в её центре, а на её окраине.

Потребовались ещё многие десятилетия тщательных наблюдений и глубоких раздумий, прежде чем перед астрономами раскрылось во всей полноте строение Галактики. Так стали называть звёздную систему, которую мы видим, конечно, изнутри как полосу Млечного Пути (слово «Галактика» образовано от новогреческого «галактикос», что значит «млечный»).

Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд, и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) - расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1". 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км) или 100000 световых лет (световой год - расстояние, пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид.

Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодые населения.

113

Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2•1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2•1030 кг.), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такая же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедными звездами.

Существует гипотеза, согласно которой Млечный Путь - это плод космических катаклизмов, продукт столкновения Галактик! Почти все Галактики рано или поздно столкнутся со своими соседями. Эту участь ожидает и наш Млечный Путь. Навстречу ему несётся туманность Андромеды. Пока нас разделяет 2,2 миллиона световых лет. Эта туманность громадным сводом нависает над нашей космической родиной. Кажется, что в любой момент она готова упасть на нас. Ее сердцевина светится так ярко, словно здесь пылают тысячи Солнц. Струи раскаленного газа летят во все стороны. Одна из них тянется прямо к Земле, будто мечтая ее схватить. Под этим сводом лежит наша галактика - плоский, линзообразный диск, сложенный из миллиардов ослепительно белых звезд. Новые светила вспыхивают, старые гаснут. Идет обычная жизнь, но пройдет пять миллиардов лет, и вот тогда-то начнутся различные изменения. Все сообщество звезд, расположенное в этой части космического пространства, всколыхнет очередная космическая катастрофа, хаос вернется. В результате должно произойти слияние нашей галактики с туманностью Андромеды, образовав единое целое - некую яйцевидную галактику.

Все это в будущем, но уже сегодня мы замечаем некие изменения, происходящие на Земле под влиянием космологических факторов. Например, изменение климата - растет среднегодовая температура, во многих регионах увеличивается уровень проникающего ультрафиолетового излучения, опасного для жизни. Можно предположить, что если температура будет расти и дальше, то через какое-то время она достигнет критической отметки. После этого все последующие изменения климата станут хаотическими, непредсказуемыми. Такой поворот событий предвещает грандиозные катаклизмы. За последние пятьсот лет произошло пять крупных климатических катастроф. Чем они были вызваны? Возможно, причину их следует искать в глубинах Космоса. Ведь наша планета, мчащаяся сквозь вечный небосвод, периодически оказывается в той части Галактики, где вероятность катастроф гораздо выше обычного. Солнечная система окажется в гуще космических событий, когда она попадет в один из спираль-

114

ных рукавов, переполненных снующими всюду звездами. Нам предстоит здесь провести целых 60 миллионов лет. В таком соседстве мало хорошего. Приближаясь к Солнцу, «суетливые светила» будут вносить беспорядок в хрупкий строй планет и комет нашей системы, вызывая новые беды.

Приведем пример катастроф на Земле. Первая катастрофа произошла около 440 миллионов лет назад, когда температура Земли заметно понизилась, и это привело к вымиранию многих теплолюбивых видов животных и обитателей моря. Около 360 миллионов лет назад произошла вторая катастрофа, которая привела к гибели морских беспозвоночных и большинство бесчелюстных. В это время земноводные активно покидают морские глубины и завоевывают новую среду обитания - сушу. Около 250 миллионов лет назад развернулась активная тектоническая деятельность: литосферные плиты сталкивались, континенты дрейфовали, земная кора разламывалась, в бесчисленные трещины изливалась вулканическая лава. Климат стал суше. Обширные районы покрылись льдом. Исчезли громадные внутренние моря. После этих катаклизмов, длившихся не один миллион лет, вымерло более половины всех видов животных, населявших нашу планету. Жизнь на Земле едва не погибла. Около 210 миллионов лет назад сокращается обширный класс пресмыкающихся. Их нишу постепенно заполняют динозавры. Около 65 миллионов лет назад, после столкновения с небольшим космическим телом, достигавшим всего нескольких километров в поперечнике, климатический баланс Земли полностью нарушился. Внезапные перепады температуры выкашивали животных, не успевших приспособиться к переменам. Когда стихии пришли в равновесие и прекратились пожары, похолодания, потепления, выяснилось, что динозавры исчезли. Они владели Землей на протяжении 170 миллионов лет. Итак, последняя катастрофа пошла человечеству на пользу. Динозавры погибли, и началось стремительное развитие млекопитающих.

Напрашивается вопрос: «Сумеет ли человек пережить грядущие катастрофы? Не разделит ли он судьбу других животных, например, динозавров, исчезнувших с лица Земли по воле космических сил?». Многое зависит от того, с какой скоростью совершатся катастрофические перемены. Если процесс будет протекать постепенно, то человек как биологический вид может к ним приспособиться, пусть даже миллионы отдельных индивидов вымрут и останутся лишь носители востребованных генетических свойств. За всю историю люди сумели приспособиться к самым необычным условиям жизни. Они расселялись среди вечных льдов и выжженных пустынь, в непроходимых лесах и недоступных горах. Генетический арсенал человека необычайно широк, и к тому же это единственное живое существо, которое стало вмешиваться в собственную генетику, пытаясь настроить ее «в ритм эволюции». Кроме того, человек - это единственное живое существо, сумевшее вырваться за пределы нашей планеты. Все это дает нам шанс уцелеть в хаосе космоса и воспринимать любые рассказы о

115

насылаемых бедах как предостережение, а вовсе не как окончательный приговор. Воспользуемся ли мы этим шансом?

Звездные скопления

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений - несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру - десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова.

Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной части туманности - 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца.

Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Внешний вид Галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном - наблюдатель, избрал самый простой метод классификации Галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации Галактик.

Хаббл предложил разделить все Галактики на 3 вида:

Эллиптические - обозначаемые Е (elliptical);

Спиральные (Spiral);

Неправильные - обозначаемые (irregular).

Эллиптические Галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яр-

116

кости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что эллиптические Галактики состоят из второго типа звездного населения. Они построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в тех Галактиках, где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы.

Внешне эллиптические Галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием (NGG и 636, NGC 4406, NGC 3115 и др.).

С несколько однообразными эллиптическими Галактиками контрастируют спиральные Галактики являющиеся, может быть, даже самыми живописными объектами во Вселенной. У эллиптических Галактик внешний вид говорит о статичности, стационарности. Спиральные Галактики, наоборот, являют собой пример динамики формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами Галактики, указывает на мощное стремительное движение. Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у Галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии, Галактики. Однако известны примеры, когда в Галактике действует более двух спиральных ветвей. В других случаях спирали две, но они неравны - одна значительно более развита, чем вторая. Примеры спиральных Галактик: М31, NGC 3898, NGC 1302, NGC 6384, NGC 1232 и др.

Перечисленные типы Галактик характеризовались симметричностью форм, определенным характером рисунка. Но встречается большое число Галактик неправильной формы без какой-либо закономерности структурного строения.

Хаббл дал им обозначение от английского слова «irregular», что в переводе с английского означает неправильные. Неправильная форма у Галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: Галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По-видимому, эти оба случая встречаются среди неправильных Галактик, и, может быть, с этим связанно разделение неправильных Галактик на 2 подтипа.

Подтип 2 характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры (NGM 25744, NGC 5204). Французский астроном Вакулер в некоторых Галактиках этого подтипа, например, Магелановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

117

Неправильные Галактики другого подтипа, обозначаемого 1, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды Галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих Галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько Галактик подтипа 1 и расположенных сравнительно близко (Галактика в созвездии Льва).

Только 3 Галактики можно наблюдать невооруженным глазом: Большое Магеланово облако, Малое Магеланово облако и туманность Андромеды.

Невращающаяся звездная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются и имеют шарообразную форму.

Если же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические Галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.

Особый интерес представляют Галактики с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся Галактика - ЛебедьА. Это слабая двойная Галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике ЛебедьА, безусловно, очень редки в метагалактике, но ЛебедьА - не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200 Мпс). Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника ЛебедьА.

Когда английские и австралийские астрономы, применив интерференционный метод в 1963 г. определили с большой точностью положения значительного числа дискретных источников радиоизлучения, они одновременно определили и другие угловые размеры некоторого числа радиоисточников. Диаметры большинства из них исчислялись минутами или десятками секунд дуги, но у 5 источников, а именно у ЗС48, ЗС147, ЗС196, ЗС273 и ЗС286, размеры оказались меньше секунды дуги.

Но поток их радиоизлучения не уступали потокам радиоизлучения других фирм дискретных источников, превосходящих их по площади излучения в десятки тысяч раз. Эти звездоподобные источники радиоизлучения были названы квадрами. Сейчас их открыто более 1000. Блеск квадра не остается постоянным. Массы квадров достигают миллиона солнечных масс. Источник энергии квадров до сих пор не ясен. Есть предположения, что квадры - это исключительно активные ядра очень далеких Галактик.

118

Местное сверхскопление

Многие, а может быть, и почти все Галактики собраны в различные коллективы, которые называют группами, скоплениями и сверхскоплениями, смотря по тому, сколько их там. В группу может входить всего три или четыре Галактики, а в сверхскопление - до тысячи или даже нескольких десятков тысяч. Наша Галактика, туманность Андромеды и ещё более тысячи таких же объектов входят в так называемое Местное сверхскопление. Оно не имеет четко очерченной формы.

Приблизительно так же устроены и другие сверхскопления, лежащие далеко от нас, но довольно отчетливо различимые в современные крупные телескопы.

До недавнего времени астрономы полагали, что эти объекты - самые крупные образования во Вселенной и что какие-либо ещё большие системы отсутствуют. Но вот выяснилось, что это не так.

Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На ней каждая Галактика представлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рассеяны на карте хаотично. Если же приглядеться внимательно, то можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, которые выглядят здесь цепочками точек. Но что поразительнее всего, карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеистый узор, напоминающий кружева или, может быть, пчелиные соты с размерами ячеек в 100-300 миллионов световых лет.

Покрывают ли такие «сетки» всю Вселенную, еще предстоит выяснить. Но несколько отдельных ячеек, очерченных сверхскоплениями, удалось подробно изучить. Внутри таких ячеек Галактик почти нет, все они собраны в «стенки».

Ячейка - это предварительное, рабочее название для самого крупного образования во Вселенной. Более крупных систем в природе нет. Это показывает карта Вселенной. Астрономия достигла, наконец, завершения одной из самых грандиозных своих задач: вся последовательность, или, как ещё говорят, иерархия, астрономических систем теперь целиком известна. И всё же...

2.3. Типы звёзд и их эволюция

Зарождение звезд

Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и, наконец, "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе.

119

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954 г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества, люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах. Этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми.

Каков же механизм их возникновения? Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть "материализацию" звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием: во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел.

В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд. Размеры глобул огромны - до нескольких световых лет в поперечнике. Несмотря на то, что вещество в этих скоплениях очень разрежено, общий объём их настолько велик, что его вполне хватает для формирования небольших скоплений звёзд, по массе близких к Солнцу. Для того чтобы представить себе, как из глобул возникают звёзды, вспомним, что все звёзды излучают и их излучение оказывает давление. Разработаны чувствительные инструменты, которые реагируют на давление солнечного света, проникающего сквозь толщу земной атмосферы. В чёрной глобуле под действием давления излучения, испускаемого окружающими звёздами, происходит сжатие и уплотнение вещества. Внутри глобулы гуляет "ветер", разметающий по всем направлениям газ и пылевые частицы, так что вещество глобулы пребывает в непрерывном турбулентном движении.

Глобулу можно рассматривать как турбулентную газово-пылевую массу, на которую со всех сторон давит излучение. Под действием этого давления объём, заполняемый газом и пылью, будет сжиматься, становясь, всё меньше и меньше. Такое сжатие протекает в течение некоторого времени, зависящего от окружающих глобулу источников излучения и интенсивности последнего. Гравитационные силы, возникающие из-за концентрации массы в центре глобулы, тоже стремятся сжать ее, заставляя

120

вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако.

Падение вещества может длиться сотни лет. Вначале оно происходит медленно, неторопливо, поскольку гравитационные силы, притягивающие частицы к центру, ещё очень слабы. Через некоторое время, когда глобула становится меньше, а поле тяготения усиливается, падение начинает происходить быстрее. Но, как мы уже знаем, глобула огромна, не менее светового года в диаметре. Это значит, что расстояние от её внешней границы до центра может превышать 10 триллионов километров. Если частица от края глобулы начнёт падать к центру со скоростью немногим менее 2 км/с, то центра она достигнет только через 200000 лет. Наблюдения показывают, что скорости движения газа и пылевых частиц на самом деле гораздо больше, а потому гравитационное сжатие происходит значительно быстрее.

Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц перешла в тепло, нагрела пыль и газ. В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. Звезда ещё не родилась, но зародыш её уже появился. Астрономам пока неизвестно, сколько времени требуется протозвезде, чтобы достигнуть той стадии, когда она начинает светиться как тусклый красный шар и становится видимой. По различным оценкам, это время колеблется от тысяч до нескольких миллионов лет. Однако, помня о появлении звёзд в Большой Туманности Ориона, стоит, пожалуй, считать, что наиболее близка к реальности оценка, которая даёт минимальное значение времени.

Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически постоянными. Значение главной последовательности заключается в том, что большинство обычных звёзд оказываются нормальными, то есть лишёнными каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звёзды подчиняются определённым зависимостям, подобным, например, упомянутой главной последовательности. Большинство звёзд оказываются на этой наклонной линии - главной последовательности, потому что звезда может прийти на эту линию всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а покинув её, прожить ещё несколько сотен миллионов лет. Большинство звёзд заведомо остаётся на главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть - ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет и, по-видимому, проведёт на ней ещё столько же времени, так как звёзды с такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд. лет. Звёзды много меньшей массы находятся на главной последовательности примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит солнечную, то

121

время её пребывания на главной последовательности составит всего около 1 млн. лет.

Вернёмся к рассмотрению процессов, происходящих при рождении звезды: она продолжает сжиматься, сжатие сопровождается возрастанием температуры. Температура ползёт вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться, его уже можно наблюдать на фоне тёмного ночного неба как тусклый красноватый диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему приходится на инфракрасную область спектра. Но это ещё не звезда. По мере того как вещество протозвезды уплотняется, оно всё быстрее падает к центру, разогревая ядро звезды до всё более высоких температур. Наконец температура достигает 10 млн. К, и тогда начинают протекать термоядерные реакции - источник энергии всех звёзд во Вселенной. Как только термоядерные процессы включаются в действие, космическое тело превращается в полноценную звезду.

Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду; её вещество представляет собой типичный образец вещества окружающей нас части космического пространства. Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что этот кусочек межзвездной среды на 89% состоит из водорода, на 10% - из гелия; такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют в нём менее 1%, а все металлы, вместе взятые, - не более 0,25%. Таким образом, звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего встречаются во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен водород, то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его участием. Кое-где встречаются уголки космического пространства с повышенным содержанием тяжёлых элементов, но это лишь местные аномалии - остатки давних звёздных взрывов, разбросавших и рассеявших в окрестности тяжёлые элементы. Мы не будем останавливаться на таких аномальных областях с повышенной концентрацией тяжёлых элементов, а сосредоточим внимание на звёздах, состоящих в основном из водорода.

Когда температура в центре протозвезды достигает 10 млн. К, начинаются сложные (но детально изученные) термоядерные реакции, в ходе которых из ядер водорода (протонов) образуются ядра гелия; каждые четыре протона, объединяясь, создают атом гелия. Сначала, когда соединяются друг с другом два протона, возникает атом тяжёлого водорода, или дейтерия. Затем последний сталкивается с третьим протоном, и в результате реакции рождается лёгкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон.

В сумятице, которая царит в ядре звезды, быстро движущиеся атомы лёгкого гелия иногда сталкиваются друг с другом, в результате чего появляется атом обычного гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Два лишних протона возвращаются обратно в горячую смесь, чтобы когда-нибудь опять вступить в реакцию, порождающую гелий. В этом

122

процессе около 0,7% массы превращается в энергию. Описанная цепочка реакций - один из важных термоядерных циклов, протекающих в ядрах звёзд при температуре около 10 млн. К. Некоторые астрономы считают, что при более низких температурах могут протекать другие реакции, в которых участвуют литий, бериллий и бор. Но они тут же делают оговорку, что если такие реакции и имеют место, то их относительный вклад в генерацию энергии незначителен.

Когда температура в недрах звезды снова увеличивается, в действие вступает ещё одна важная реакция, в которой в качестве катализатора участвует углерод. Начавшись с водорода и углерода-12, такая реакция приводит к образованию азота-13, который спонтанно распадается на углерод-13 - изотоп углерода, более тяжёлый, чем тот, с которого реакция начиналась. Углерод-13 захватывает ещё один протон, превращаясь в азот-14. Последний подобным же путём становится кислородом-15. Этот элемент также неустойчив и в результате спонтанного распада превращается в азот-15. И наконец азот-15, присоединив к себе четвёртый протон, распадается на углерод-12 и гелий.

Таким образом, побочным продуктом этих термоядерных реакций является углерод-12, который может вновь положить начало реакциям данного типа. Объединение четырёх протонов приводит к образованию одного атома гелия, а разница в массе четырёх протонов и одного атома гелия, составляющая около 0,7% от первоначальной массы, проявляется в виде энергии излучения звезды. На Солнце каждую секунду 564 млн. т водорода превращается в 560 млн. т гелия, а разница - 4 млн. т вещества - превращается в энергию и излучается в пространство. Важно, что механизм генерации энергии в звезде зависит от температуры.

Именно температура ядра звезды определяет скорость процессов. Астрономы считают, что при температуре около 13 млн. К углеродный цикл относительно не существенен.

Следовательно, при такой температуре преобладает протонный цикл. При увеличении температуры до 16 млн. К, вероятно, оба цикла дают равный вклад в процесс генерации энергии. Когда же температура ядра поднимается выше 20 млн. К, преобладающим становится углеродный цикл.

Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счёт ядерных реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс, прекращается. Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в течение времени, длительность которого зависит от начальной массы звезды и составляет примерно от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот период звезда достигает главной последовательности и начинает свою долгую жизнь, протекающую почти без изменений. Целую вечность проводит звезда в этой стадии. Ничего особенного с ней не происходит, она не привлекает к себе пристального внимания. Теперь это всего-навсего полноценный член звёздной колонии, затерянный среди множества собратьев.

123

Однако процессы, протекающие в ядре звезды, несут в себе зародыши её грядущего разрушения. Когда дерево или уголь сгорают в камине, выделяется тепло, а в качестве продуктов отхода образуются дым и зола. В "камине" звёздного ядра водород - это уголь, а гелий - зола. Если из камина время от времени не удалять золу, то она может забить его и огонь потухнет.

Если в ядре звезды вещество не перемешивается, в термоядерных реакциях начинают принимать участие слои, непосредственно примыкающие к гелиевому ядру, что обеспечивает звезду энергией. Однако со временем запасы водорода в этих слоях иссякают, и ядро разрастается всё больше и больше. Наконец достигается состояние, когда в ядре совсем не остаётся водорода. Обычные реакции превращения водорода в гелий прекращаются; звезда покидает главную последовательность и вступает в сравнительно короткий (но интересный) отрезок своего жизненного пути, отмеченный необычайно бурными реакциями.

Когда водорода становится мало, и он больше не может участвовать в реакциях, источник энергии иссякает. Но, как мы уже знаем, звезда представляет собой тонко сбалансированный механизм, в котором давление, раздувающее звезду изнутри, полностью уравновешено гравитационным притяжением. Следовательно, когда генерация энергии ослабевает, давление излучения резко падает и силы тяготения начинают сжимать звезду. Снова происходит падение вещества к её центру, во многом напоминающее то, с которого началось рождение протозвезды. Энергия, возникающая при гравитационном сжатии, намного больше энергии, выделяемой теперь в ядерных реакциях, а раз так, то звезда начинает быстро сжиматься. В результате верхние слои звезды нагреваются, она снова расширяется и растёт в размерах до тех пор, пока внешние слои не станут достаточно разреженными, лучше пропускающими излучение звезды. Полагают, что звезда типа Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. После того как звезда начинает расширяться, она покидает главную последовательность и, как мы уже видели, дни её теперь сочтены. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Когда звезда сжимается, за счёт работы сил тяготения выделяется огромная энергия, которая раздувает звезду. Казалось бы, это должно привести к падению температуры в ядре. Но это не так. Против ожидания температура в ядре звезды резко возрастает. В относительно тонком слое вокруг ядра всё ещё происходит обычное ядерное выгорание водорода, что приводит к увеличению содержания гелия в ядре. Когда в ядре концентрируется около половины массы звезды, последняя расширяется до своего максимального размера и её цвет из белого становится жёлтым, а затем красным, так как температура поверхности звезды уменьшается. Теперь звезда вступает в новую фазу. Температура ядра растёт до тех пор, пока не превысит 200 млн. К. При такой температуре начинает выгорать гелий, в ре-

124

зультате чего образуется углерод. Три ядра гелия, сливаясь, превращаются в ядро углерода, который оказывается более лёгким, чем три исходных ядра гелия, поэтому такая реакция также идёт с выделением энергии. Снова давление радиации, которое играло столь важную роль, когда звезда находилась на главной последовательности, начинает противодействовать тяготению, и ядро звезды опять удерживается от дальнейшего сжатия. Звезда возвращается к обычным размерам, по мере того как это происходит, температура её поверхности растёт, и она из красной становится белой.

В этот момент по некоторым загадочным причинам звезда оказывается неустойчивой. Астрономы полагают, что переменные звёзды, то есть звёзды, периодически меняющие свою светимость, возникают на этой стадии звёздной эволюции, так как процесс сжатия происходит не гладко и на некоторых его этапах возникают ритмические колебания звезды. На этой стадии звезда может пройти через фазу новой, в течение которой она внезапно выбрасывает в межзвёздное пространство значительное количество вещества; оно, принимая вид расширяющейся оболочки, может содержать значительную часть массы звезды. Вспышки некоторых новых многократно повторяются, и это означает, что одной вспышки недостаточно, чтобы звезда достигла устойчивости. Но со временем она приобретает устойчивость, колебания исчезают, звезда начинает свой длинный путь к звёздному кладбищу. Даже на этой стадии звезда ещё способна к активности. Она может стать сверхновой. Причина, по которой звезда оказывается способной на такую активность, обусловлена количеством вещества, оставшимся у неё к этой стадии.

Когда мы рассматривали процессы, протекающие в недрах звезды, мы говорили, что основным продуктом ядерных реакций является гелий. По мере того, как перерабатывается всё больше и больше водорода, растёт гелиевое ядро звезды. Водород исчезает, следовательно, энерговыделение за счёт этого источника также прекращается. Но при температуре около 200 млн. К открывается ещё один путь, следуя которому гелий порождает более тяжёлые элементы, и в этом процессе выделяется энергия. Два атома гелия соединяются, образуя атом бериллия, который обычно вновь распадается на атомы гелия. Однако температуры и скорости реакций столь высоки, что, прежде чем происходит распад бериллия, к нему присоединяется третий атом гелия и образуется атом углерода.

Но процесс не останавливается, так как теперь атомы гелия, бомбардируя углерод, порождают кислород, бомбардируя кислород, дают неон, а бомбардируя неон, производят магний. На этой стадии температура ядра ещё слишком низка для образования более тяжёлых элементов. Ядро опять сжимается, и так продолжается до тех пор, пока температура не достигнет величины порядка миллиарда градусов и не начнётся синтез более тяжёлых элементов. Если в результате дальнейшего сжатия ядра температура поднимается до 3 млрд. К, тяжёлые ядра взаимодействуют друг с другом

125

до тех пор, пока не образуется железо. Процесс останавливается. Если атомы гелия будут бомбардировать ядра железа, то вместо образования более тяжёлых элементов произойдёт распад ядер железа.

На этой стадии жизни звезды её ядро состоит из железа, окружённого слоями ядер более лёгких элементов вплоть до гелия, а наружный тонкий слой образован водородом, который ещё обеспечивает некоторое количество энергии. Наконец наступает время, когда водород оказывается полностью израсходованным и этот источник энергии иссякает. Перестают также действовать и другие механизмы генерации энергии; звезда лишается всяких средств для воспроизводства своих энергетических запасов. Это означает, что она должна умереть. Теперь, исчерпав запасы ядерной энергии, звезда может только сжиматься и использовать гравитационную энергию, чтобы поддержать своё свечение. Звезда будет сжиматься и ярко светиться. Когда же и эта энергия иссякнет, звезда начинает изменять свой цвет от белого к жёлтому, затем к красному; наконец она перестаёт излучать и начинает непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького тёмного безжизненного объекта. Но на пути к угасанию обычная звезда проходит стадию белого карлика.

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

Белые карлики - одна из увлекательнейших тем в истории астрономии: впервые были открыты небесные тела, обладающие свойствами, весьма далёкими от тех, с которыми мы имеем дело в земных условиях. И, по всей вероятности, разрешение загадки белых карликов положило начало исследованиям таинственной природы вещества, запрятанного где-то в разных уголках Вселенной.

Во Вселенной много белых карликов. Одно время они считались редкостью, но внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар (США), показало, что их количество превышает 1500. Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звёзд. История открытия белых карликов восходит к началу XIX в., когда Фридрих Вильгельм Бессель, прослеживая движение наиболее яркой звезды Сириус, открыл, что её путь является не прямой линией, а имеет волнообразный характер. Собственное движение звезды происходило не по прямой линии; казалось, что она едва заметно смещалась из стороны в сторону. К 1844 г., спустя примерно десять лет после первых наблюдений Сириуса, Бессель пришёл к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, которая, будучи невидимой, оказывает на Сириус гравитационное воздействие; оно обнаруживается по колебаниям в движении Сириуса. Ещё более интересным оказалось то обстоятельство, что если тёмный компонент действительно существует, то период обращения обеих звёзд относительно их общего центра тяжести равен приблизительно 50 годам.

126

Перенесёмся в 1862 г. и из Германии в Кембридж, штат Массачусетс (США). Алвану Кларку, крупнейшему строителю телескопов в США, Университетам штата Миссисипи было поручено сконструировать телескоп с объективом диаметром 18,5 дюйма (46 см), который должен был стать самым большим телескопом в мире. После того как Кларк закончил обработку линзы телескопа, нужно было проверить, обеспечена ли необходимая точность формы её поверхности. С этой целью линзу установили в подвижной трубе и направили на Сириус - самую яркую звезду, являющуюся лучшим объектом для проверки линз и выявления их дефектов. Зафиксировав положение трубы телескопа, Алван Кларк увидел слабый «призрак», который появился на восточном краю поля зрения телескопа в отблеске Сириуса. Затем, по мере движения небосвода, в поле зрения попал и сам Сириус. Его изображение было искажено - казалось, что «призрак» представляет собой дефект линзы, который следовало бы устранить, прежде чем сдать линзу в эксплуатацию. Однако эта возникшая в поле зрения телескопа слабая звёздочка оказалась компонентом Сириуса, предсказанным Бесселем. В заключение следует добавить, что из-за начавшейся первой мировой войны телескоп Кларка так никогда и не был отправлен в Миссисипи - его установили в Дирбоновской обсерватории, вблизи Чикаго, а линзу используют по сей день, но на другой установке.

Таким образом, Сириус стал предметом всеобщего интереса и многих исследований, ибо физические характеристики двойной системы заинтриговали астрономов. С учётом особенностей движения Сириуса, его расстояние до Земли и амплитуды отклонений от прямолинейного движения астрономам удалось определить характеристики обеих звёзд системы, названых Сириус А и Сириус В. Суммарная масса обеих звёзд оказалась в 3,4 раза больше массы Солнца. Было найдено, что расстояние между звёздами почти в 20 раз превышает расстояние между Солнцем и Землёй, то есть примерно равно расстоянию между Солнцем и Ураном; полученная на основании измерения параметров орбиты масса Сириуса А оказалась в 2,5 раза больше массы Солнца, а масса Сириуса В составила 95% массы Солнца. После того, как были определены светимости обеих звёзд, обнаружилось, что Сириус А почти в 10 000 раз ярче, чем Сириус В. По абсолютной величине Сириуса А мы знаем, что он примерно в 35,5 раза светит сильнее Солнца. Отсюда следует, что светимость Солнца в 300 раз превышает светимость Сириус В.

Светимость любой звезды зависит от температуры поверхности звезды и её размеров, то есть диаметра. Близость второго компонента к более яркому Сириусу А чрезвычайно осложняет определение его спектра, что необходимо для установки температуры звезды. В 1915 г. с использованием всех технических средств, которыми располагала крупнейшая обсерватория того времени Маунт-Вилсон (США), были получены удачные фотографии спектра Сириуса. Это привело к неожиданному открытию: тем-

127

пература спутника составляла 8000 К, тогда как Солнце имеет температуру 5700 К. Таким образом, спутник в действительности оказался горячее Солнца, а это означало, что светимость единицы его поверхности также больше.

В самом деле, простой расчёт показывает, что каждый сантиметр этой звезды излучает в четыре раза больше энергии, чем квадратный сантиметр поверхности Солнца. Отсюда следует, что поверхность спутника должна быть в 300x4 раз меньше, чем поверхность Солнца, и Сириус В должен иметь диаметр около 40 000 км. Однако масса этой звезды составляет 95% от массы Солнца. Этот значит, что огромное количество вещества должно быть упаковано в чрезвычайно малом объёме, иначе говоря, звезда должна быть плотной. В результате несложных арифметических действий получаем, что плотность спутника почти в 100 000 раз превышает плотность воды. Кубический сантиметр этого вещества на Земле весил бы 100 кг, а 0,5 л такого вещества - около 50 т. Такова история открытия первого белого карлика.

А теперь зададимся вопросом: каким образом вещество можно сжать так, чтобы один кубический сантиметр его весил 100 кг?

Когда в результате высокого давления вещество сжато до больших плотностей, как в белых карликах, то вступает в действие другой тип давления, так называемое «вырожденное давление». Оно появляется при сильнейшем сжатии вещества в недрах звезды. Именно сжатие, а не высокие температуры является причиной вырожденного давления. Вследствие сильного сжатия атомы оказываются настолько плотно упакованными, что электронные оболочки начинают проникать одна в другую.

Гравитационное сжатие белого карлика происходит в течение длительного времени, и электронные оболочки продолжают проникать друг в друга до тех пор, пока расстояние между ядрами не станет порядка радиуса наименьшей электронной оболочки. Внутренние электронные оболочки представляют собой непроницаемый барьер, препятствующий дальнейшему сжатию. При максимальном сжатии электроны уже не связаны с отдельными ядрами, а свободно движутся относительно них. Процесс отделения электронов от ядер происходит в результате ионизации давлением. Когда ионизация становится полной, облако электронов движется относительно решётки из более тяжёлых ядер, так что вещество белого карлика приобретает определённые физические свойства, характерные для металлов. В таком веществе энергия переносится к поверхности электронами, подобно тому, как тепло распространяется по железному пруту, нагреваемому с одного конца.

Но электронный газ проявляет и необычные свойства. По мере сжатия электронов их скорость всё больше возрастает, потому что, как мы знаем, согласно фундаментальному физическому принципу, два электрона, находящиеся в одном элементе фазового объёма, не могут иметь одина-

128

ковые энергии. Следовательно, чтобы не занимать один и тот же элемент объёма, они должны двигаться с огромными скоростями. Наименьший размер допустимого объёма зависит от диапазона скоростей электронов. Однако в среднем, чем ниже скорость электронов, тем больше тот минимальный объём, который они могут занимать. Иными словами, самые быстрые электроны занимают наименьший объём. Хотя отдельные электроны носятся со скоростями, соответствующими внутренней температуре порядка миллионов градусов, температура полного ансамбля электронов в целом остаётся низкой.

Установлено, что атомы газа обычного белого карлика образуют решётку плотно упакованных тяжёлых ядер, сквозь которую движется вырожденный электронный газ. Ближе к поверхности звезды вырождение ослабевает, и на поверхности атомы ионизированы не полностью, так что часть вещества находится в обычном газообразном состоянии.

Модель белых карликов

Зная физические характеристики белых карликов, мы можем сконструировать их наглядную модель. Начнём с того, что белые карлики имеют атмосферу. Анализ спектров карликов приводит к выводу, что толщина их атмосферы составляет всего несколько сотен метров. В этой атмосфере астрономы обнаруживают различные знакомые химические элементы. Известны белые карлики двух типов - холодные и горячие. В атмосферах более горячих белых карликов содержится некоторый запас водорода, хотя, вероятно, он не превышает 0,05%. Тем не менее, по линиям в спектрах этих звёзд были обнаружены водород, гелий, кальций, железо, углерод и даже окись титана. Атмосферы холодных белых карликов состоят почти целиком из гелия; на водород, возможно, приходится меньше, чем

один атом из миллиона. Температуры поверхности белых карликов меняются от 5000 К у "холодных" звёзд до 50000 К у "горячих". Под атмосферой белого карлика лежит область невырожденного вещества, в котором содержится небольшое число свободных электронов. Толщина этого слоя 160 км, что составляет примерно 1% радиуса звезды. Слой этот может меняться со временем, но диаметр белого карлика остаётся постоянным и равным примерно 40000 км. Как правило, белые карлики не уменьшаются в размерах после того, как достигли этого состояния. Они ведут себя подобно пушечному ядру, нагретому до большой температуры; ядро может менять температуру, излучая энергию, но его размеры остаются неизменными. Чем же определяется окончательный диаметр белого карлика? Оказывается, его массой. Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус; минимально возможный радиус составляет 10000 км. Теоретически, если масса белого карлика превышает массу Солнца в 1,2 раза, его радиус может быть неограниченно малым. Именно давление вырожденного электронного газа предохраняет звезду от всяческого дальнейшего

129

сжатия, и, хотя температура может меняться от миллионов градусов в ядре звезды до нуля на поверхности, диаметр её не меняется. Со временем звезда становится тёмным телом с тем же диаметром, который она имела, вступив в стадию белого карлика.

Под верхним слоем звезды вырожденный газ практически изотермичен, то есть температура почти постоянна вплоть до самого центра звезды; она составляет несколько миллионов градусов - наиболее реальная цифра 6 млн. К. Теперь, когда мы имеем некоторые представления о строении белого карлика, возникает вопрос: почему он светится? Очевидно одно: термоядерные реакции исключаются. Внутри белого карлика отсутствует водород, который поддерживал бы этот механизм генерации энергии.

Единственный вид энергии, которым располагает белый карлик, - это тепловая энергия. Ядра атомов находятся в беспорядочном движении, так как они рассеиваются вырожденным электронным газом. Со временем движение ядер замедляется, что эквивалентно процессу охлаждения. Электронный газ, который не похож не на один из известных на Земле газов, отличается исключительной теплопроводностью, и электроны проводят тепловую энергию к поверхности, где через атмосферу эта энергия излучается в космическое пространство.

Астрономы сравнивают процесс остывания горячего белого карлика с остыванием железного прута, вынутого из огня. Сначала белый карлик охлаждается быстро, но по мере падения температуры внутри него охлаждение замедляется. Согласно оценкам, за первые сотни миллионов лет светимость белого карлика падает на 1% от светимости Солнца. В конце концов белый карлик должен исчезнуть и стать чёрным карликом, однако на это могут понадобиться триллионы лет, и, по мнению многих учёных, представляется весьма сомнительным, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик для появления в ней чёрных карликов.

Другие астрономы считают, что и в начальной фазе, когда белый карлик ещё довольно горяч, скорость охлаждения невелика. А когда температура его поверхности падает до величины порядка температуры Солнца, скорость охлаждения увеличивается и угасание происходит очень быстро. Когда недра белого карлика достаточно остынут, они затвердеют.

Так или иначе, если принять, что возраст Вселенной превышает 10 млрд. лет, красных карликов в ней должно быть намного больше, чем белых. Зная это, астрономы предпринимают поиски красных карликов. Пока они безуспешны. Массы белых карликов определены недостаточно точно. Надёжно их можно установить для компонентов двойных систем, как в случае Сириуса. Но лишь немногие белые карлики входят в состав двойных звёзд. В трёх наиболее хорошо изученных случаях массы белых карликов, измеренные с точностью свыше 10%, оказались меньше массы Солнца и составляли примерно половину её. Теоретически предельная

130

масса для полностью вырожденной не вращающейся звезды должна быть в 1,2 раза больше массы Солнца. Однако, если звёзды вращаются, а по всей вероятности, так оно и есть, то вполне возможны массы, в несколько раз превышающие солнечную.

Сила тяжести на поверхности белых карликов примерно в 60-70 раз больше, чем на Солнце. Если человек весит на Земле 75 кг, то на Солнце он весил бы 2 тонны, а на поверхности белого карлика его вес составлял бы 120-140 тонн. С учётом того, что радиусы белых карликов мало отличаются и их массы почти совпадают, можно заключить, что сила тяжести на поверхности любого белого карлика приблизительно одна и та же. Во Вселенной много белых карликов. Одно время они считались редкостью, но внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар, показало, что их количество превышает 1500. Астрономы полагают, что частота возникновения белых карликов постоянна, по крайней мере, в течение последних 5 млрд. лет. Возможно, белые карлики составляют наиболее многочисленный класс объектов на небе. Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звёзд. Возникает вопрос: все ли звёзды становятся белыми карликами в конце своего эволюционного пути? Если нет, то какая часть звёзд переходит в стадию белого карлика?

Многие планетарные туманности, наблюдаемые нами сегодня, родились в последние 50000 лет, а типичный их возраст близок к 20000 лет. Центральные звёзды таких туманностей - наиболее горячие объекты среди известных в природе. Температура их поверхности меняется от 50000 до 1 млн. К. Из-за необычайно высоких температур большая часть излучения звезды приходится на далёкую ультрафиолетовую область электромагнитного спектра. Это ультрафиолетовое излучение поглощается, преобразуется и переизлучается газом оболочки в видимой области спектра, что и позволяет нам наблюдать оболочку. Это означает, что оболочки значительно ярче, нежели центральные звёзды, - которые на самом деле являются источником энергии, - так как огромное количество излучения звезды приходится на невидимую часть спектра.

Из анализа характеристик центральных звёзд планетарных туманностей следует, что типичное значение их массы заключено в интервале 0,6-1 масса Солнца. А для синтеза тяжёлых элементов в недрах звезды необходимы большие массы. Количество водорода в этих звёздах незначительно. Однако газовые оболочки богаты водородом и гелием.

Некоторые астрономы считают, что 50-95 % всех белых карликов возникли не из планетарных туманностей. Таким образом, хотя часть белых карликов целиком связана с планетарными туманностями, по крайней мере, половина или более из них произошли от нормальных звёзд главной последовательности, не проходящих через стадию планетарной туманности.

131

Полная картина образования белых карликов туманна и неопределенна. Отсутствует так много деталей, что в лучшем случае описание эволюционного процесса можно строить лишь путём логических умозаключений. И, тем не менее, общий вывод таков: многие звёзды теряют часть вещества на пути к своему финалу, подобному стадии белого карлика, и затем скрываются на небесных «кладбищах» в виде чёрных, невидимых карликов.

Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звёзды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. Они могут взорваться как сверхновые, а затем сжаться до размеров шаров радиусом несколько километров, т.е. превратиться в нейтронные звёзды.

СВЕРХНОВЫЕ

Около семи тысяч лет назад в отдалённом уголке космического пространства внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружные слои вещества. Сравнительно большая и массивная звезда вдруг столкнулась с серьёзной энергетической проблемой - её физическая целостность оказалась под угрозой. Когда была пройдена граница устойчивости, разразился захватывающий, чрезвычайно мощный, один из самых катастрофических во всей Вселенной взрывов, породивший сверхновую звезду.

Шесть тысяч лет мчался по космическим просторам свет от этой звезды из созвездия Тельца и достиг, наконец, Земли. Это случилось в 1054 г. В Европе наука была тогда погружена в дрему, и у арабов она переживала период застоя, но в другой части Земли наблюдатели заметили объект, величественно сверкающий на небе перед восходом Солнца.

Четвёртого июля 1054 г. китайские астрономы, вглядываясь в небо, увидели светящийся небесный объект, который был много ярче Венеры. Его наблюдали в Пекине и назвали "звездой-гостьей". Это был самый яркий после Солнца объект на небе. В течение 23 дней, вплоть до 27 июля 1054 г., он был виден даже днём. Постепенно объект становился слабее, но всё же оставался видимым для невооружённого глаза ещё 627 дней и, наконец, исчез 17 апреля 1056 г. Это была ярчайшая из всех зарегистрированных сверхновых - она сияла как 500 млн. Солнц. Если бы она находилась от нас на таком расстоянии, как ближайшая к нам звезда альфа Центавра, то даже самой тёмной ночью при её свете мы могли бы свободно читать газету - она светила бы значительно ярче, чем полная Луна.

В европейских хрониках тех лет нет никаких упоминаний о данном событии, но не следует забывать, что то были годы средневековья, когда на европейском континенте почти угас свет науки.

Один интересный момент из истории открытия этой звезды. В 1955 г. Гельмут Абт и Уильям Миллер из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар обнаружили доисторические пиктограммы на стене одной пе-

132

щеры в скале каньона Навахо в Аризоне. В каньоне изображение было высечено на камне, а в пещере - нарисовано куском гематита - красного железняка. На обоих рисунках изображён кружок и полумесяц. Миллер истолковывает эти фигуры как изображение лунного серпа и звезды; по его мнению, они, возможно, отображают появление сверхновой в 1054 г. Для такого заключения есть два основания: во-первых, в 1054 г., когда вспыхнула сверхновая, фаза Луны и её расположение относительно сверхновой были именно такими, как показано на рисунке. Во-вторых, по найденным в тех местах глиняным черепкам установлено, что около тысячи лет назад в этой местности обитали индейцы. Таким образом, рисунки, по-видимому, являются художественным изображением сверхновой, сделанными древними индейцами.

После фотографирования и тщательного исследования участка неба, где находилась сверхновая, было обнаружено, что остатки сверхновой образуют сложную хаотическую расширяющуюся газовую оболочку, заключающую несколько звёзд. Весь этот комплекс из газа и звёзд был назван Крабовидной туманностью. Источником вещества туманности является одна из центральных звёзд, та самая, которая взорвалась семь тысяч лет назад. Это нейтронная звезда. Она имеет температуру 6-7 млн. К и чрезвычайно малый диаметр. По фотографиям и спектрограммам можно определить физические характеристики звезды.

В результате исследования выяснилось, что в Крабовидной туманности различаются два типа излучающих областей. Во-первых, это волокнистая сетка, состоящая из газа, нагретого до нескольких десятков тысяч градусов и ионизированного под действием интенсивного ультрафиолетового излучения центральной звезды; газ включает в себя водород, гелий, кислород, неон, серу. И, во-вторых, большая светящаяся аморфная область, на фоне которой мы видим газовые волокна.

По фотографиям, сделанным около двенадцати лет назад, обнаружено, что некоторые из волокон туманности движутся от её центра наружу. Зная угловые размеры, а также приблизительно расстояние и скорость расширения, учёные определили, что около девяти столетий назад на месте туманности был точечный источник. Таким образом, удалось установить прямую связь между крабовидной туманностью и тем взрывом сверхновой, который почти тысячу лет назад наблюдали китайские и японские астрономы.

Вопрос о причинах взрывов сверхновых по-прежнему остаётся предметом дискуссий и служит поводом для выдвижения противоречивых гипотез.

Звезда с массой, превосходящей солнечную примерно на 20%, может со временем стать неустойчивой. Это показал в своём блестящем теоретическом исследовании, сделанном в конце 30-х годов нашего столетия, американский астроном Чандрасекар. Он установил, что подобные

133

звёзды на склоне жизни порой подвергаются катастрофическим изменениям, в результате чего достигается некоторое равновесное состояние, позволяющее звезде достойно завершить свой жизненный путь. Многие астрономы занимались изучением последних стадий звёздной эволюции и исследованием зависимости эволюции звезды от её массы. Все они пришли к одному выводу: если масса звезды превышает предел Чандрасекара, её ожидают невероятные изменения.

Как мы видели, устойчивость звезды определяется соотношением между силами гравитации, стремящимися сжать звезду, и силами давления, расширяющими её изнутри. Мы также знаем, что на последних стадиях звёздной эволюции, когда истощаются запасы ядерного горючего, это соотношение обеспечивается за счёт эффекта вырождения, которое может привести звезду к стадии белого карлика и позволит ей провести остаток жизни в таком состоянии. Став белым карликом, звезда постепенно остывает и заканчивает свою жизнь, превратившись в холодный, безжизненный, невидимый звёздный шлак.

Если масса звезды превосходит предел Чандрасекара, эффект вырождения уже не в состоянии обеспечить необходимое соотношение давлений. Перед звездой остаётся только один путь для сохранения равновесия - поддерживать высокую температуру. Но для этого требуется внутренний источник энергии. В процессе обычной эволюции звезда постепенно использует для этого ядерное горючее. Однако как может звезда добыть энергию на последних стадиях звёздной эволюции, когда ядерное топливо, регулярно поставляющее энергию, на исходе? Конечно она ещё не энергетический «банкрот», она большой, массивный объект, значительная часть массы которого находится на большом расстоянии от центра, и у неё в запасе ещё есть гравитационная энергия. Она подобна камню, лежащему на вершине высокой горы, и благодаря своему местоположению обладающему потенциальной энергией. Энергия, заключённая во внешних слоях звезды, как бы находится в огромной кладовой, из которой в нужный момент её можно извлечь.

Итак, чтобы поддерживать давление, звезда теперь начинает сжиматься, пополняя, таким образом, запас своей внутренней энергии. Как долго продолжается это сжатие?

Фред Хойл и его коллеги тщательно исследовали подобную ситуацию и пришли к выводу, что в действительности происходит катастрофическое сжатие, за которым следует катастрофический взрыв. Толчком к взрыву, избавляющему звезду от избытка массы, является значение плотности, создаваемое при сжатии. Избавившись от избыточной массы, звезда тут же возвращается на путь обычного угасания.

Наибольший интерес для учёных представляет процесс, в ходе которого шаг за шагом осуществляется постепенное выгорание ядерного топлива. Для расчёта этого процесса используется информация, полученная из лабораторных опытов; огромную роль при этом играют современные

134

быстродействующие вычислительные машины. Хойл и Фаулер смоделировали с помощью ЭВМ процесс энерговыделения в звезде и проследили её ход. В качестве примера они взяли звезду, масса которой втрое превосходит солнечную, то есть звезду, находящуюся далеко за пределом Чандрасекара. Звезда с такой массой должна иметь светимость, в 60 раз превышающую светимость Солнца, и время жизни около 600 млн. лет.

Мы уже знаем, что в ходе обычных термоядерных реакций, протекающих в недрах звезды почти в течение всей её жизни, водород превращается в гелий. После того как значительная часть вещества звезды превратится в гелий, температура в её центре возрастает. При увеличении температуры примерно до 200 млн. К ядерным горючим становится гелий, который затем превращается в кислород и неон. Таким образом, гелиевое ядро начинает порождать более тяжёлое ядро, состоящее из двух этих химических элементов. Теперь звезда становится многослойной энергопроводящей системой. В тонкой оболочке, по одну сторону от которой находится водород, а по другую гелий, происходит превращение водорода в гелий; эта реакция идёт с выделением энергии. Поэтому, пока такая реакция осуществляется, температура ядра звезды неуклонно растёт. Сжатие звезды ведёт к уплотнению её ядра и росту температуры в центре до 200-300 млн. К. Но даже при столь высоких температурах кислород и неон вполне устойчивы и не вступают в ядерные реакции. Однако через некоторое время ядро становится ещё плотнее, температура удваивается, теперь она уже равняется 600 млн. К. И тогда ядерным топливом становится неон, который в ходе реакций превращается в магний и кремний. Образование магния сопровождается выходом свободных нейтронов. Когда звезда родилась из праматерии, она уже содержала некоторые металлы группы железа. Свободные нейтроны, вступая в реакцию с этими металлами, создают атомы более тяжёлых металлов - вплоть до урана - самого тяжёлого из природных элементов.

Но вот израсходован весь неон в ядре. Ядро начинает сжиматься, и снова сжатие сопровождается ростом температуры. Наступает следующий этап, когда каждые два атома кислорода, соединяясь, порождают атом кремния и атом гелия. Атомы кремния, соединяясь попарно, образуют атомы никеля, которые вскоре превращаются в атомы железа. В ядерные реакции, сопровождающиеся возникновением новых химических элементов, вступают не только нейтроны, но также протоны и атомы гелия. Появляются такие элементы, как сера, алюминий, кальций, аргон, фосфор, хлор, калий. Температура ядра поднимается до полутора миллиардов градусов. По-прежнему продолжается образование более тяжёлых элементов с использованием свободных нейтронов, но на этой стадии из-за большой температуры происходят некоторые новые явления.

Хойл считает, что при температурах порядка миллиарда градусов возникает мощное гамма-излучение, способное разрушать ядра атомов. Ней-

135

троны и протоны отрываются от ядер, но этот процесс обратимый: частицы вновь соединяются, создавая устойчивые комбинации. Когда температура превысит 1,5 млрд. К, более вероятными становятся процессы распада ядер. Любопытным и неожиданным оказался следующий результат: при дальнейшем увеличении температуры и усилении процессов разрушения и соединения ядра в итоге присоединяют всё больше и больше частиц и, как следствие этого, возникают более тяжёлые химические элементы. Так, при температурах 2-5 млрд. К., рождаются титан, ванадий, хром, железо, кобальт, цинк, и др. Но из всех этих элементов наиболее представлено железо. Как и прежде, при превращении лёгких элементов в тяжёлые вырабатывается энергия, удерживающая звезду от коллапса. Своим внутренним строением звезда теперь напоминает луковицу, каждый слой которой заполнен преимущественно каким-либо одним элементом.

Как отмечает Хойл, с образованием группы железа звезда оказывается накануне драматического взрыва. Ядерные реакции, протекающие в железном ядре звезды, приводят к превращению протонов в нейтроны. При этом испускаются потоки нейтрино, уносящие с собой в космическое пространство значительное количество энергии звезды. Если температура в ядре звезды велика, то эти энергетические потери могут иметь серьёзные последствия, так как они приводят к снижению давления излучения, необходимого для поддержания устойчивости звезды. И как следствие этого, в действие опять вступают гравитационные силы, призванные доставить звезде необходимую энергию. Силы гравитации всё быстрее сжимают звезду, восполняя энергию, унесённую нейтрино. Как и прежде, сжатие звезды сопровождается ростом температуры, которая в конце концов достигает 4-5 млрд. К. Теперь события развиваются несколько иначе. Ядро, состоящее из элементов группы железа, подвергается серьёзным изменениям: элементы этой группы уже не вступают в реакции с образованием более тяжёлых элементов, а начинают снова превращаться в гелий, испуская при этом колоссальный поток нейтронов. Большая часть этих нейтронов захватывается веществом внешних слоев звезды и участвует в создании тяжёлых элементов.

На этом этапе, как указывает Хойл, звезда достигает критического состояния. Когда создавались тяжёлые химические элементы, энергия высвобождалась в результате слияния лёгких ядер. Тем самым огромные её количества звезда выделяла на протяжении сотен миллионов лет. Теперь же конечные продукты ядерных реакций вновь распадаются, образуя гелий: звезда оказывается вынужденной восполнить утраченную ранее энергию. Остаётся последнее её достояние - гравитация. Но чтобы звезда могла воспользоваться этим резервом, плотность её ядра должна увеличиваться крайне быстро, то есть ядро должно резко сжаться; происходит «взрыв внутрь», отрывающий ядро звезды от её внешних слоев. Он должен произойти за считанные секунды. Это и есть начало конца массивной звезды.

136

Имплозия, или взрыв внутрь, устраняет давление, поддерживавшее внешние слои звезды, её оболочку, и с этого момента оболочка, сжимаясь, начинает падать на ядро. Падение сопровождается выделением колоссального количества энергии - так ещё раз проявляет себя гравитация. Выделение энергии приводит в свою очередь к резкому повышению температуры (примерно 3 млрд. К), и падающая оболочка звезды оказывается в необычных для неё температурных условиях. Для звезды с температурой ядра, равной 2,5 млрд. К, лёгкие элементы оболочки служат потенциальным ядерным топливом. Но чтобы обеспечить свечение во время взрыва, температура должна подняться выше этого значения - до 3 млрд. К. В течение секунды кинетическая энергия звезды превращается в тепловую, и вещество оболочки нагревается. При такой высокой температуре более лёгкие элементы - в основном кислород - проявляют взрывную неустойчивость и начинают взаимодействовать. Подсчитано, что за время меньше секунды в ходе этих ядерных реакций выделяется энергия, равная энергии, которую Солнце излучает за миллиард лет!

Внезапно освободившаяся энергия срывает со звезды её наружные слои и выбрасывает их в космическое пространство со скоростью, достигающей нескольких тысяч километров в секунду. На эти слои приходится значительная часть массы звезды. Газовая оболочка удаляется от звезды образуя туманность, которая простирается на многие миллионы миллионов километров.

Газ по инерции продолжает удаляться от звезды до тех пор, пока, возможно через 100000 лет, вещество туманности не станет настолько разряженным и диффузным, что больше уже не сможет возбуждаться коротковолновым излучением очень горячей материнской звезды; тогда мы перестанем его видеть. Но самое главное: как в взорвавшемся веществе, так и в межзвездном газе присутствует магнитное поле. Сжатие газа за фронтом ударной волны вызывает сжатие силовых линий и повышение напряжённости межзвёздного магнитного поля, что в свою очередь приводит к увеличению энергии электронов, и их ускорению. В результате остаётся сверхгорячая звезда, масса которой уменьшилась именно настолько, чтобы она могла достойно угаснуть и умереть. По всей вероятности, она станет нейтронной звездой, масса которой в 1,2-2 массы Солнца. Если же её масса более, чем вдвое превышает массу Солнца, то она в конечном счёте может превратиться в чёрную дыру.

Сверхновые - очень редкие объекты. История засвидетельствовала лишь несколько случаев появления сверхновых. Первая - это, конечно, Крабовидная туманность, вторая - Сверхновая Тихо Браге, обнаруженная в 1572 г., и третья - Сверхновая Кеплера, открытая им в 1604 г. Недавно стало известно о сверхновой в созвездии Волка.

Астрономы вычислили, что каждая звёздная система, галактика, в среднем раз в сто-триста лет рождает сверхновую. В настоящее время астро-

137

номами открыто около 150 сверхновых. Только три из них оказались в нашей Галактике, хотя существует много объектов, такие, как Петля в Лебеде и Кассиопея А, которые, как предполагают, могут оказаться остатками взрывов сверхновых Млечного Пути. Точное время взрыва для Петли в Лебеде почти невозможно установить, но полагают, что если это действительно остатки взрыва сверхновой, то Петля в Лебеде начала своё расширение около 60 тысяч лет назад. Кассиопея А - самая молодая сверхновая на небе, так как её расширение началось примерно в 1700 г.

Почему природа создаёт такие диковинные объекты? Как они возникают? Каков механизм вспышек, которые по своей яркости могут соперничать с сиянием десятков миллиардов звёзд? Каков конечный продукт звёздного взрыва? Это только часть вопросов, которые возникают у астронома, наблюдающего за грандиознейшими взрывами в том или ином уголке неба. Чтобы ответить хотя бы на некоторые из них, необходимо исследовать историю жизни звезды.

Профессор Джон А. Уиллер заметил: «Одно дело изучать почти стационарную звезду, как, например, Солнце, другое дело - когда мы берёмся предсказывать причудливую динамику сверхновой. Мы умеем в подробностях предсказывать и ход ядерных реакций, идущих в недрах Солнца и других звёзд, и выход энергии излучения с поверхности звезды. Однако можем ли мы с такой же уверенностью говорить о звёздах, испытывающих мощные внутренние движения?»

Недавно учёные предприняли попытку применить математическую теорию атомного взрыва для описания гидродинамики сверхновых. Это позволило тщательно исследовать гидродинамику сверхновых с помощью теории, которая заведомо не слишком далека от истины. Некоторые астрономы различают пять типов сверхновых; два из них главные - это сверхновые типа 1 и сверхновые типа 2. Они отличаются друг от друга светимостями, характером изменения светимости, спектрами, а также количеством и местоположением в конкретной галактике либо в различных типах галактик. Характер изменения светимости со временем у сверхновых обоих основных типов практически одинаков.

НЕЙТРОННЫЕ

Звёзды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца, не смогут в конце жизни остановить своё сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации сожмут их до такой плотности, при которой произойдёт «нейтрализация» вещества: взаимодействие электронов с протонами приведёт к тому, что почти вся масса звезды будет заключена в нейтронах. Образуется нейтронная звезда. Наиболее массивные звёзды могут обращаться в нейтронные после того, как они взорвутся как сверхновые.

Концепция нейтронных звёзд ненова: первое предположение о возможности их существования было сделано талантливыми астрономами

138

Фрицем Цвикки и Вальтером Баарде из Калифорнии в 1934 г. (несколько раньше в 1932 г. возможность существования нейтронных звёзд была предсказана известным советским учёным Л.Д. Ландау). В конце 30-х годов она стала предметом исследований других американских учёных Оппенгеймера и Волкова. Интерес этих физиков к данной проблеме был вызван стремлением определить конечную стадию эволюции массивной сжимающейся звезды. Так как роль и значение сверхновых вскрылись примерно в то же время, было высказано предположение, что нейтронная звезда может оказаться остатком взрыва сверхновой. К несчастью, с началом второй мировой войны внимание учёных переключилось на военные нужды и детальное изучение этих новых и в высшей степени загадочных объектов было приостановлено. Затем, в 50-х годах, изучение нейтронных звёзд возобновили чисто теоретически с целью установить, имеют ли они отношение к проблеме рождения химических элементов в центральных областях звёзд. Нейтронные звёзды остаются единственным астрофизическим объектом, существование и свойства которых были предсказаны задолго до их открытия.

В начале 60-х годов открытие космических источников рентгеновского излучения весьма обнадёжило тех, кто рассматривал нейтронные звёзды как возможные источники небесного рентгеновского излучения. К концу 1967 г. был обнаружен новый класс небесных объектов - пульсары, что привело учёных в замешательство. Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звёзд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении космического рентгеновского излучения.

Говоря о нейтронных звёздах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах.

Решающее значение на свойства нейтронных звёзд оказывают гравитационные силы. По различным оценкам, диаметры нейтронных звёзд составляют 10-200 км. И этот незначительный, по космическим понятиям, объём «набит» таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн. км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли! Естественное следствие такой концентрации вещества - невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твёрдой. Сила тяжести нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там, около миллиона тонн. Расчёты показывают, что нейтронные звёзды сильно намагничены. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1 млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса - около 0,6 - 0,7 массы Солнца. Наружный слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разрежённой электронной и ядерной плазмы, ко-

139

торая пронизана мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах. Почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см З, что в 100000 раз больше плотности железа.

Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Этот слой «сверхтвёрдого» вещества, находящегося в кристаллической форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26 - 39 и 58 - 133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа. Двигаясь дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжёлых ядер типа кадмия, но также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1000 раз больше, чем предыдущего.

Глубже проникая в нейтронную звезду, мы достигаем четвёртого слоя, плотность при этом возрастает незначительно - примерно в пять раз. Тем не менее, при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость, «загрязнённую» электронами и протонами.

Ниже этого слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в 1,5 раза больше, чем в вышележащем слое. И, тем не менее, даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся намного быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей вероятности, присутствует большое число ещё неизвестных нам частиц.

Температуры нейтронных звёзд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать, если учесть, как они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет существования звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения.

140

2.4. Астрофизика и физика черных дыр

Астрофизика - это часть астрономии, цель которой - изучение физических и химических процессов во Вселенной. Она отличается разнообразием методов исследования, обилием теоретических изысканий, большим числом проблем, как решенных, так и требующих дальнейшего изучения. Она очень быстро развивается и чуть ли не каждый день приносит с собой новые факты.

В истории астрономии выделяют три эры: первая эра началась с зарождения науки о Вселенной; вторая связана с открытием Н. Коперника и созданием телескопа; третья - с превращением астрономии из оптической во всеволновую.

Современный этап развития наблюдательной астрономии датируется рождением радиоастрономии, которая впервые вывела астрономические наблюдения из узкого диапазона электромагнитных волн видимого света. Вселенная предстала перед людьми в радиолучах, невидимых человеческим глазом. Это позволило не только по-новому взглянуть на уже известные космические объекты, но и открыть необычные объекты и явление, ранее неизвестные науке - пульсары и реликтовое излучение.

Пульсары - вращающиеся намагниченные нейтронные звезды, которые характеризуются по космическим масштабам весьма небольшими размерами (несколько десятков километров) и плотностью порядка сотен миллионов тонн в одном кубическом сантиметре. Обнаружить эти компактные объекты с помощью оптических телескопов было немыслимо, и только радиотелескопы позволили их «увидеть». Открытие пульсаров в 1967 г. оказалось принципиально новым, поэтому за него английскому ученому Э. Хьюишу в 1974 г. была присуждена Нобелевская премия.

Вооруженный радиотелескопом, человек по-новому взглянул на ночное небо и Вселенную. В диапазоне радиоволн он смог «увидеть» электромагнитное реликтовое излучение. Подобно тому, как все на земле погружено в воздушный океан, так и вся Вселенная погружена в реликтовое электромагнитное излучение. Ни о каких «пустынях пространств» Вселенной говорить уже не приходится. За открытие реликтового излучения американским ученым А. Пензиасу и Р. Вильсону в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия.

Многократно расширились возможности познания Вселенной с началом космической эры человечества. Стало реальностью непосредственное изучение космического пространства и тел Солнечной системы. Для познания далекого космоса и Вселенной в целом появились новые области наблюдательной астрономии. С помощью новых методов наблюдений были сделаны поразительные открытия необыкновенных космических объектов, в том числе черных дыр, одну из которых связывают с рентгеновским источником Лебедь Х-1.

141

Обнаружение черных дыр изумило научную общественность и побудило известного американского физика-теоретика К. Торна написать следующие строки: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое - это образ черной дыры, отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющей пространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или мифах древности, чем в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики требуют, чтобы черные дыры существовали».

Черные дыры должны играть значительную роль во Вселенной. Только в нашей Галактике насчитывается около миллиарда черных дыр. Не исключено, что они могут активно влиять и на земные дела. Они могут подсказать принципиально новые источники энергии. Так, например, при падении вещества в черную дыру на единицу массы выделяется энергия, имеющая величину на порядок большую, чем в ядерных реакциях.

Пока еще трудно что-либо сказать о практических путях использования энергии черных дыр.

Физика и астрофизика черных дыр получили широкое признание научной общественности. Фактом признания важности этих проблем для науки в целом было присуждение в 1983 г. Нобелевской премии американскому ученому С. Чандрасекару за цикл работ по эволюции звезд.

Антиподы черных дыр - белые дыры - еще более необычные объекты, способные объяснять грандиозные взрывные процессы с громадным выделением энергии. Если черные дыры не обнаруживают себя непосредственно, а лишь через особенности поведения материи в их гравитационных полях, то с поверхности белых дыр к наблюдателю поступает излучение. Тем не менее, в науке белые дыры долго оставались «в тени». Дело в том, что обнаружение белых дыр - сверхтрудная задача. Время их появления ничтожно по космическим масштабам, и даже если бы вспышки белых дыр были бы повседневным явлением, регистрировать их невероятно сложно.

В конце 80-х гг. интерес к белым дырам стал возрастать. Это объясняется увеличением открытий взрывных, высокоэнергетических и других загадочных космических явлений, для объяснения которых все более привлекательной становится идея существования белых дыр, становится популярной идея о множественности миров и многомерности Вселенной (белые дыры - своеобразные вестники других миров и «окна» из высших измерений).

Что такое черная дыра? По существу, это замкнутая область пространства, в которую сжато вещество и откуда ничто не может выйти: внутри

142

черной дыры притяжение настолько велико, что даже свет не способен вырваться из нее наружу и термин «черная» здесь очень подходит. Уместно и название «дыра», поскольку она может поглотить неограниченно много вещества и в этом смысле ее можно уподобить бездонной яме.

Название «черная дыра» предложил в 1968 г. профессор Принстонского университета Дж. А. Уилер. Однако идея существования в природе таких объектов высказывались гораздо раньше. По-видимому, подобная мысль возникла впервые около 200 лет назад. В докладе Королевскому обществу в 1783 г. и опубликованных через год «Философских трудах» английский физик Джон Митчелл (1724 - 1793) отметил, что если свет представляет собой поток частиц, то эти частицы должны подвергаться воздействию тяготения также, как и все остальные материальные тела.

Спустя примерно 13 лет, великий французский математик Пьер Симон Лаплас (1749-1827) в своей книге «Изложение системы мира» высказал аналогичные мысли.

Вопрос о реальном существовании объектов, указанных Митчеллом и Лапласом, не вызвал особого интереса у физиков того времени; выяснение этого вопроса задержалось на 100 лет. В 1926 г., после опубликования Эйнштейном общей теории относительности, немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд (1873 - 1916) нашел решение уравнений поля этой теории, описывающее пространство-время вне тела со сферически симметричным распределением вещества. Это решение можно интерпретировать так: если тело массой М сжато в сферу определенного радиуса (который называется радиусом Шварцшильда - Ящ), то пространство-время вблизи него искажается так сильно, что свет не может выйти из этой сферы. А поскольку, согласно теории, движение быстрее света невозможно, то, следовательно, сферу радиусом Яш вообще не может покинуть никакой материальный объект или сигнал. Область пространства, которую ничто не может покинуть, ученые называют черной дырой.

Черные дыры известны науке под названиями: застывшая звезда, гравитационная могила, коллапсар, флуктуар, отон.

Во всех этих названиях нашли отражение различные свойства и особенности черных дыр:

- «застывшая звезда» означает, что для удаленного наблюдателя процессы на черной дыре замедляются и как бы застывают;

- «гравитационная могила» - космическая материя, оказавшаяся в черных дырах, выходит из активных процессов развития и как бы умирает;

- «коллапсар» - образование черных дыр, рождающихся из вещества звезды, происходит в результате катастрофического гравитационного сжатия - коллапса;

«флуктуар» - существуют особенности черных дыр, проявляющие себя через произвольно меняющееся излучение окружающего пространства;

143

- «отон» есть более широкий класс объектов, в который кроме черных дыр входят еще белые и серые.

Белые и черные дыры во всем различны. Белые дыры часто называют антиколлапсарами, т.к. в отличие от черных дыр, которые сжимаются, они расширяются.

Свойства черных и белых дыр объединены в серых дырах. Сначала они расширяются и ведут себя как белые дыры, а затем сжимаются по гравитационный радиус и превращаются в черные.

Изучением дыр занимается астрофизика отонов.

Отоны - класс объектов, исследование которых возможно лишь на основе теории тяготения. В физике и космологии отонами называются объекты, которые известны под другими названиями: мосты, кротовые норы, дыры и др. Кротовые норы - объекты типа мостов (ручек). Та часть, куда материя входит, называется черной дырой, а та, откуда материя выходит - белой дырой.

Физика черных и белых дыр

Специфика физики черных дыр заключается в особенностях пространства-времени дыр. Смена евклидового пространства и времени классической физики пространством-времени Минковского означала переход к новой физике - релятивистской. Другими словами, каждому типу пространства соответствует своя физика. Значит, в неевклидовых ПВМ различных отонов физические закономерности имеют свои особенности.

Физика отонов включает в себя физику черных дыр, а также физику космологических моделей и ускоренных систем отсчета.

«ВОЛОСЫ» ЧЕРНЫХ ДЫР

Исследования показали, что различные свойства коллапсирующей материи теряются в результате коллапса. Из чего состоит черная дыра: из газа или плазмы, вещества или антивещества? На эти вопросы нет ответа. Неизвестно, сколько барионов (тяжелых элементарных частиц) или лептонов (более легких элементарных частиц) входит в черную дыру. Тем более ничего нельзя сказать о сложных материальных образованиях.

Чтобы была понятна сухая физическая терминология, применим образное описание явлений.

Все, что оказывается под горизонтом событий, скрыто для внешнего наблюдателя, так как под горизонтом физические параметры являются мнимыми. Об этом свойстве сказал Дж. Уиллер: «Черная дыра не имеет волос». Точнее, черная дыра имеет всего три «волоса» (свойства, параметра): масса, заряд и момент вращения (спин). Те же три параметра характеризуют и белую дыру, у которой, в отличие от черной, пышная «шевелю-

144

ра», и все, что находится внутри белой дыры, открыто для наблюдателя. Т.е. у черных дыр почти все волосы спрятаны под шляпой - горизонтом событий, у белой - шляпа снята - антигоризонт. В обществе дыр, согласно этикету, при входе в дом - отонный мир - шляпа снимается (белая дыра), при выходе - одевается (черная дыра). Поведение серой дыры можно уподобить правилу хорошего тона - приподнимать шляпу при встрече.

Многообразие отонов зависит от комбинаций параметров:

o брадионные - движущиеся с досветовой скоростью;

o тахионные - действительные параметры заменяются мнимыми;

o антиотоны - дыры, как бы вложенные в «отонную матрешку». Они являются третьими по счету за двумя горизонтами событий, что равносильно переходу к отрицательным параметрам;

o антитахионные - дыры, находящиеся за тремя горизонтами событий.

ТЕРМОДИНАМИКА ДЫР

Черные дыры, обладают одним свойством, принципиально отличающим их от классических астрофизических объектов: они только поглощают излучение и вещество. Это свойство черных дыр нашло отражение в теореме Хокинга: площадь черных дыр не уменьшается ни при каком классическом взаимодействии их между собой и с окружающей средой. Благодаря работам многих ученых, были сформулированы законы физики черных дыр. По формуле математической записи совпадает с законами термодинамики. Эквивалентами термодинамических величин являются площадь поверхности и гравитация.

Исследования показали, что законы черных дыр подобны началам термодинамики:

1) 1-е начало - закон сохранения энергии в термодинамических процессах: (характерно поведение черных дыр, обладающих неизменностью);

2) 2-е начало - невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому: (характерно поведение белых дыр, приносящих массу и энергию из других миров в наш);

3) 3-е начало - невозможно за конечное число шагов достичь температуры абсолютного нуля (для черных дыр аналогичный закон означает невозможность за конечное число шагов уменьшить поверхностную гравитацию до нуля).

ЭНЕРГЕТИКА ДЫР

Для понимания загадочных космических явлений, открытых всеволновой астрономией, важную роль должна сыграть энергетика черных и белых дыр. В астрономии вопрос об энергетике встает на различных космических уровнях, начиная от планет и заканчивая квазарами и самой Метагалактикой.

145

При движении в поле черных дыр, где достигаются значительные ускорения, излучение гравитационных волн может быть значительным. Но при простом падении на черную дыру выделение энергии в форме гравитационных волн будет незначительным. Для того чтобы увеличить общее количество выделяемой энергии, необходимо заставить тело как можно дольше находиться в гравитационном поле черной дыры, что возможно при движении по круговой орбите.

В поле черной дыры может выделяться энергия в виде электромагнитных волн. Это происходит при движении газа вокруг черной дыры, когда внутреннее трение приводит к нагреванию газа и выделению тепловой энергии в форме электромагнитных волн.

В прошлом основным источником энергии была химическая форма движения. Этот источник энергии, как стало понятно во второй половине XX в., является экологически грязным и представляет угрозу для среды обитания человека.

В середине XX в. был открыт принципиально новый источник энергии - ядерный.

В будущем ожидается открытие нового источника энергии - отонного, который экологически чист.

Космогония отонов

При построении математических моделей черных и белых дыр требуются такие параметры, как масса, заряд и вращение. Эти параметры задают определенную структуру пространства-времени, в которой черные и белые дыры неразрывно взаимосвязаны: наличие черных дыр влечет существование белых, и наоборот. Выявить данную взаимосвязь в космических процессах и понять, как образуются черные и белые дыры, оказалось гораздо сложнее. В ходе исследований выяснилось, что возможны три варианта образования черных дыр и два - белых. Это, собственно, и составляет предмет космогонии отонов, изучающей возможности образования космических объектов. Первый вариант образования черных дыр связан с эволюцией звезд.

В первой половине XX в. были заложены основы теории эволюции звезд и сделан вывод о том, что конечным продуктом их эволюции могут быть объекты, имеющие размеры своего гравитационного радиуса, а именно черные дыры.

Звездные объекты в своей эволюции проходят три качественно различные стадии: протозвезды - звезды - постзвезды. На каждой стадии происходит необратимая потеря энергии. Звезды образуются из так называемых протозвезд, которым предшествуют сжимающиеся облака вещества.

146

Когда сжимающееся облако станет непрозрачным для своего инфракрасного излучения, его излучательность резко уменьшится. Облако продолжает сжиматься, но несколько медленнее. Одновременно большая часть освобождающейся в результате сжатия потенциальной энергии идет на нагрев облака. Такой объект нельзя назвать облаком: это уже настоящая протозвезда (дозвезда).

Протозвезда - эмбрион, зародыш настоящей звезды. Эмбриональный период в развитии звезды длится десятки миллионов лет. В течение данного периода плотность протозвезды увеличивается, а температура повышается до уровня, достаточного для протекания термоядерных реакций в ее центральных областях.

В результате образования протозвезды из диффузного облака потенциальная гравитационная энергия переходит в тепловую, которая затем излучается. Протозвезда самопроизвольно не может стать облаком, так как необходимая энергия уже рассеяна. Нужен некоторый дополнительный источник энергии, чтобы вещество протозвезды могло рассеяться в космическое пространство.

С началом протекания термоядерных реакций заканчивается эмбриональный период в развитии звездного объекта и наступает период его активной жизни. Это и есть рождение звезды. В активный период, который длится миллиарды лет, звезда излучает энергию за счет термоядерных реакций, протекающих в ее недрах. С образованием звезды прекращается процесс сжатия, так как устанавливается равновесие между тепловым давлением вещества звезды и гравитационным давлением, которое стремится сжать звезду. Наступает период медленной эволюции, постепенного выгорания ядерного горючего.

Силы гравитации в ходе эволюции постоянно уравновешиваются тепловым давлением. Так, уменьшение внутреннего давления в результате потери тепловой энергии приводит к сжатию звезды, что повышает ее температуру и скорость ядерных реакций, в результате чего равновесие восстанавливается.

Время медленной эволюции обратно пропорционально массе звезды. Это на первый взгляд парадоксально, так как чем больше масса, тем больше ядерного горючего, а следовательно, оно должно, казалось бы, и дольше гореть. Но, как было сказано, скорость ядерных реакций пропорциональна температуре, а температура пропорциональна массе звезды и данная зависимость настолько сильна, что приводит к более быстрой эволюции массивных звезд.

В ходе эволюции звезды идет необратимый процесс потери энергии, выделяемой в ядерных реакциях. Запасы ядерного горючего в звезде хотя и огромны, но конечны. После исчерпания источника ядерной энергии звезда «умирает», образуется звездный «труп» - постзвезда. Под термином «постзвезда» понимаются космические объекты, являющиеся конеч-

147

ным продуктом эволюции звезд. В этот класс объектов входят белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, а также гипотетические гиперонные звезды и «пигмеи».

Звезда, обладающая на конечном этапе эволюции массой, меньшей 1,2 М© (массы солнца) превращается в электронную постзвезду. Последняя называется электронной потому, что сам факт ее существования обусловлен наличием вырожденного электронного газа, давление которого противостоит гравитационному сжатию,

Рассмотрим эволюцию звезды, имеющей на предконечной стадии массу, меньшую 1,2 М©. Такая звезда после кратковременной стадии так называемого красного гиганта и отрыва ее оболочки превращается в белый карлик. Превращение происходит в результате медленного сжатия звезды. При этом звезда продолжает светить, но не за счет ядерного горючего, которого практически не осталось, а за счет освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. Сжатие будет продолжаться до тех пор, пока в основной массе вещества звезды не наступит вырождение электронов. Тогда давление вырожденного электронного газа уравновесит давление, вызванное гравитационным взаимодействием.

Для звезды, имеющей на предконечной стадии эволюции массу большую 1,2 массы солнца, конечная стадия эволюции качественно отличается от стадии белых карликов. На предконечном этапе происходит катастрофическое сжатие звезды. В ходе быстрого сжатия в наружных слоях звезды протекают быстрые реакции с остатками ядерного горючего, в результате которых выделяется большое количество энергии: происходит взрыв, с огромной скоростью выбрасывающий наружные слои звезды.

Внутренние области звезды стремительно сжимаются. За какие-нибудь несколько секунд размеры звезды уменьшаются в сотни тысяч раз, достигая размеров порядка 10 км, а плотность становится примерно равной ядерной, что в сотни миллиардов раз больше плотности земного вещества.

В веществе звезды электроны как бы вдавлены в протоны. Образуется так называемая нейтронная жидкость, давления которой достаточно для того, чтобы уравновесить силы гравитации и остановить процесс сжатия. Данный объект носит название нейтронной звезды, хотя он, как, впрочем, и белые карлики, мало чем похож на звезду в обычном смысле слова. Такой объект подобен макроскопической ядерной капле.

Нейтронная звезда состоит из отдельных нейтронов, а также протонов. Но ведь в процессе эволюции отдельные протоны и нейтроны, объединяясь в ядра атомов, излучали колоссальное количество энергии, а в конце эволюции мы опять приходим к веществу, состоящему из отдельных барионов. Откуда же взялась потерянная энергия? Силы гравитации разрушили сложные ядра, и это привело к тому, что вещество вновь стало состоять из отдельных элементарных частиц, т.е., в конце концов, тяготение оказалось ответственным за всю излученную энергию.

148

Пульсары (источники строго периодического импульсного излучения) являются намагниченными вращающимися нейтронными постзвездами. Обнаружение нейтронных звезд стало кардинально важным событием в познании Вселенной, так как впервые были открыты объекты, размеры которых сопоставимы с гравитационным радиусом.

Энергия излучения пульсаров пополняется за счет энергии вращения, что приводит к замедлению вращения и увеличению периода между импульсами. Нейтронные постзвезды были предсказаны давно, и поиски этих постзвезд продолжались довольно долго, хотя открыли их случайно.

Нейтронная постзвезда состоит из плотной плазменной оболочки, твердой коры, слоя сверхпроводящей протонной жидкости, слоя сверхтекучей нейтронной жидкости и сверхплотного ядра. Свойства сверхпроводимости и сверхтекучести вещества связаны у нас с представлением о веществе при сверхнизких температурах. А здесь миллиарды градусов и ядерная плотность...

Казалось, какая там сверхтекучесть может существовать! Но нет, данные наблюдения убедительно говорят о наличии у пульсаров сверхплотного и сверхтекучего вещества, а теория с успехом объясняет подобные факты.

Как уже отмечалось, звездные объекты на последней стадии развития мало подобны звездам в обычном смысле слова, т. е. самосветящимся объектам, источником энергии излучения которых служат термоядерные реакции. Продукты звездной эволюции настолько отличаются от самих звезд, что возникает необходимость выделения их в особый класс космических объектов - постзвезд.

Размеры постзвезд намного меньше размеров звезд, а плотности вещества соответственно гораздо больше. Формы материи, составляющей основную массу постзвезд и звезд, различны. Существенно различен и характер эволюции, неодинаковы источники энергии: у звезд - термоядерные реакции, а у постзвезд - гравитационная энергия, перешедшая в форму тепловой энергии или в форму энергии вращательного движения постзвезды. Класс постзвезд не ограничивается тремя видами постзвезд: белым карликом, нейтронной звездой и черной дырой. Предполагается также существование промежуточных видов постзвезд - так называемых пигмеев и гиперонных звезд. Предположение о существовании пигмеев выдвинуто известным швейцарским астрофизиком Ф. Цвикки. Теоретическая модель гиперонных звезд была построена советскими учеными В.А. Амбарцумяном и Г.С. Саакяном.

После образования электронная постзвезда (белый карлик) в течение миллиарда лет медленно остывает, превращаясь сначала в красного, затем в черного карлика. Известно, что черный карлик ничего не должен излучать: он представляет собой «холодный труп» звезды в отличие от еще «теплого трупа» - белого карлика. Нейтронные постзвезды также претер-

149

певают своеобразные изменения. Причем они могут вести довольно активный образ жизни, и примером этому являются пульсары - источники мощного излучения.

Но как конечны сами объекты, так конечны и энергетические источники, питающие их. Исчерпав источники энергии, постзвезды превращаются в инертные продукты эволюции, их вещество оказывается выключенным из активных процессов во Вселенной, оно как бы попадает в эволюционный «тупик». Вырваться из своего гравитационно-связанного, концентрированного состояния и включиться вновь в активные процессы эволюции вещество постзвезд из-за мощных гравитационных сил не может, оно, словно находится в ловушке - глубокой потенциальной «яме».

Название «яма» произошло от формы графика зависимости потенциальной энергии от расстояния. В разрезе этот график напоминает яму. Чтобы извлечь вещество со дна обыкновенной ямы, требуется определенная энергия, и чем глубже яма, тем больше нужно энергии. Аналогично и в случае с гравитационными потенциальными «ямами» космических объектов.

Вывод космических кораблей с помощью мощных ракет в космос - это тоже своеобразное извлечение вещества из сравнительно неглубокой гравитационной потенциальной «ямы» нашей Земли. Чтобы извлечь все вещество постзвезды из подобной «ямы» и рассеять в пространстве, веществу необходимо вернуть энергию, потерянную в ходе эволюции звездного объекта (протозвезда - звезда - постзвезда) за многие миллиарды лет.

В целом, для вещества классических астрофизических объектов характерен процесс все большего углубления гравитационных потенциальных «ям». Это связано с необратимым характером потери энергии в форме излучения космическими объектами, что ведет к увеличению суммы энергии связи вещества замкнутых космических систем и тел: гравитационной (сжатие объекта или системы) и ядерной (образование ядерного вещества). Имеет место необратимость увеличения энергии связи.

Если взять космическое вещество, то средняя энергия связи на единицу массы необратимо возрастает. И хотя возможно уменьшение гравитационной энергии связи (например, в случае сверхновых вспышек или на стадии красного гиганта и т. д.), происходит оно за счет увеличения энергии связи ядер, т. е. расширение объекта совершается за счет энергии термоядерных реакций. Общая же сумма энергии связи не уменьшается. Аналогично может уменьшаться энергия связи ядер (нейтронные постзвезды), но за счет большего увеличения гравитационной энергии связи (коллапс).

Таким образом, уменьшение гравитационной энергии связи возможно только за счет большего или, по крайней мере, равного увеличения ядерной энергии связи. В итоге сумма энергии связи вещества замкнутой системы не убывает. Это - формулировка принципа неубывания энергии

150

связи вещества замкнутых систем. Подобную формулировку можно уподобить второму началу термодинамики.

Чем больше энергия связи, тем труднее извлечь вещество из системы, и тем менее вероятен подобный процесс. Гравитационные потенциальные «ямы» становятся все глубже, а вещество тем самым заходит все дальше в эволюционные «тупики».

У постзвезд есть только один путь изменений: увеличивать свою массу за счет аккреции (падения межзвездного вещества на поверхность космических объектов). Когда масса постзвезды превысит 2 Массы Солнца, постзвезда превратится в черную дыру.

Подчеркнем важный момент. Звезда, исчерпавшая свое ядерное горючее, возможно, сразу и не образует черной дыры в результате прямого релятивистского коллапса. Например, для возникновения черной дыры у нее может просто не хватить массы. В подобных случаях возникает белый карлик или нейтронная постзвезда. Но все равно рано или поздно постзвезда, набрав необходимую массу за счет аккрецирующего вещества, превращается в черную дыру. Следовательно, образование черных дыр для космической материи представляет собой не формальную возможность, а является закономерным и неизбежным этапом эволюции.

Космическое вещество с массой Галактики, сконцентрированное в объеме гравитационного радиуса, обладало бы плотностью, которая, на несколько порядков, меньше плотности воздуха. А так как гравитационное поле локально не меняет физических законов, то мы имеем, в общем-то, обыкновенную физическую систему, на пути образования которой нет принципиальных препятствий. Для звездных объектов, изученных наиболее полно, вопрос звучит определеннее: могут ли в результате эволюции космической материи образовываться тела, состоящие из холодного катализированного вещества с массой, большей 3 М(С). Для нейтронной постзвезды, например, ничто, ни один известный науке закон не может помешать за счет аккреции набрать критическую массу и превратиться в черную дыру. Природа должна быть не только «изощренной», но и «злонамеренной», чтобы этого не произошло.

Вывод о существовании в природе черных дыр настолько же верен, насколько верна сама ОТО. И возражения против идеи существования в природе черных дыр фактически направлены против теории гравитации Эйнштейна и других теорий гравитации, которые также предсказывают существование черных дыр.

Итак, звездные объекты рождаются (протозвезды), долго и активно живут (звезды) и, наконец, умирают (постзвезды). Рано или поздно звездные «трупы» (постзвезды) оказываются «захороненными» в «гравитационных могилах» (черные дыры). Черные дыры массой порядка М©, в свете изложенного, представляются естественными и многочисленными продуктами эволюции звезд, множество которых может возникнуть за время существования Метагалактики.

151

Образование путем сжатия черных дыр другой массы за время существования Метагалактики более проблематично. В далеком будущем Метагалактики могут появиться черные дыры любой массы.

Основываясь на известных современной науке физических законах, ряд ученых составили возможный прогноз нашей Метагалактики на 10100 лет. Согласно этому прогнозу, развитие Вселенной будет проходить по нескольким этапам, каждому из которых свойственны свои существенные особенности:

В конце первого этапа, когда возраст Метагалактики достигнет 1014 лет, звезды, израсходовав свое ядерное «горючее», закончат эволюцию, их вещество сколлапсирует, образуются черные дыры;

На втором этапе, через 1017 лет, разрушатся планетные системы;

На третьем этапе, через 1018 лет, Галактики, рассеяв большую часть своей массы, превратятся в массивные черные дыры;

4. На четвертом и пятом этапах постзвезды, покинувшие свои Галактики, вследствие распада протонов в основном испарятся. Процесс распада протонов закончится через 1032 лет. В течение 10100 лет испарятся черные дыры, превратившись в излучение. За счет потери массы в процессе испарения образуются черные дыры с массой, меньшей M(С). Правда, это произойдет в весьма отдаленном будущем.

Природа антиколлапсирующих объектов

Природа образования черных дыр сейчас представляется довольно ясной и даже очевидной: достаточно массивные звезды, расходуя свое ядерное горючее, охлаждаясь и медленно сжимаясь, обязательно должны достичь своего гравитационного радиуса, т.е. превратиться в черные дыры. Относительно белых дыр наблюдается более сложная ситуация.

В 1964 г. И.Д. Новиков высказал гипотезу о природе антиколлапсирующих объектов. Он исходил из того факта, что, по крайней мере, достоверно известен один антиколлапсирующий объект - это расширяющая система скоплений галактик (Метагалактика).

152

Согласно гипотезе, на начальном этапе расширения Метагалактики в некоторых областях расширение вещества было задержано и вещество не вышло из-под гравитационного радиуса. Образовались так называемые задержавшиеся ядра. Каких-либо ограничений на массу и время задержки подобных ядер ОТО не накладывает. Значит, задержавшиеся ядра могли бы в принципе взрываться и в наше время, образуя нестационарные объекты. Данная модель антиколлапсирующих объектов нашла свое первое приложение к квазарам для объяснения необычной природы их громадного энерговыделения.

Задержавшиеся ядра должны обладать сильным постоянным гравитационным полем, которое через различные эффекты (падение вещества на ядро, квантовое рождение частиц, эффект так называемого «фиолетового» слоя) ведет к превращению задержавшегося ядра в черную дыру. Эти и другие трудности теории белых дыр вызвали скептическое отношение к ним со стороны многих ученых.

Первая попытка понять природу образования белых дыр оказалась неудачной, но идея задержавшихся ядер послужила толчком к разработке второго варианта образования черных дыр.

В 1967 г. Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым, а затем в 1971 г. С. Хокингом был предложен второй вариант образования черных дыр в результате возможных неоднородностей на ранних этапах космологического расширения. Подобные черные дыры получили название первичных (реликтовых). Они могут обладать весьма малой массой, начиная с планковской (10"5 г). Особый интерес представляют собой малые первичные черные дыры, так как открытый Хокингом эффект квантового испарения означает возможность взрывов черных дыр. Привлекательной представляется идея Хокинга об использовании в моделях Солнца черной дыры, так как это дает возможность решить проблему солнечного нейтрино. Но изотропия реликтового фона, отсутствие сильного потока гамма-излучения и ряд других факторов говорят о том, что если первичные черные дыры и существуют, то средняя плотность их вещества во Вселенной на много порядков меньше критической. Имеются еще некоторые трудности для астрофизических приложений как эволюционных, так и реликтовых черных дыр. Например, в квазарах, радиогалактиках, активных ядрах галактик наблюдаются бурные взрывные явления, которые трудно совместить с черными дырами эволюционного или реликтового происхождения.

Самая главная трудность в проблеме возникновения первичных и эволюционных черных дыр заключается в проблеме образования космических объектов и систем в расширяющейся Метагалактике. Как показал еще в 1946 г. советский ученый Е.М. Лифшиц, в однородном расширяющемся мире за счет гравитационной неустойчивости, т. е. за счет действия самой гравитации, не могут появляться галактики и их скопления. Тем более сложнее представить возможность возникновения множества звезд и планет,

153

если не могут образовываться протогалактические облака с повышенной плотностью вещества. Нужны исходные неоднородности плотности метагалактического вещества, которые должны сыграть роль зародышей при образовании различного рода космических объектов.

Как пишут известные космологи Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков, «...модель однородной, изотропной «расширяющейся Вселенной» полностью не удовлетворяет современным наблюдениям. Некий очень важный момент в картине отсутствует - отсутствует распад вещества на скопления галактик, галактики и т. д. Поэтому один из главных вопросов, над которым работают сегодня космологи, - это переход от идеализированной картины строго однородной Вселенной к картине Вселенной, неоднородной в масштабах скоплений Галактик. Оказывается (и это недостаток теории), необходимо предположить, что зародыши тех неоднородностей, которые мы наблюдаем сегодня, существовали в начальном состоянии». Наблюдаемая высокая степень изотропности реликтового фона еще более усиливает трудности построения моделей начальных неоднородностей в рамках расширяющейся Вселенной Фридмана.

Таким образом, с одной стороны, данные наблюдений говорят о невозможности существования каких-либо значительных первичных неоднородностей на начальных этапах расширения Метагалактики. А с другой стороны, эти неоднородности необходимы, чтобы объяснить наблюдаемую структуру Метагалактики в форме Галактик, скоплений Галактик, звезд и т.д. В столь противоречивой ситуации еще сложнее понять природу образования черных дыр. Непонятно, как образуются сами звезды, что является их зародышами? Трудности в объяснении происхождения черных и белых дыр заставили обратиться к другим вариантам, связанным с трансметагалактическим происхождением отонов из других миров.

БЕЛЫЕ И СЕРЫЕ ДЫРЫ

Время пребывания белых и серых дыр на стадии антиколлапса крайне мало, а форма проявления весьма схожа - кратковременные всплески излучения. Зато реликты антиколлапсирующих отонов существуют относительно долго и могут быть различными: у белых и светло-серых дыр - это остатки взрыва (расширяющиеся облака, разлетающиеся космические объекты, пустоты), у серых и темно-серых дыр - черные дыры.

Антиколлапсирующие отоны отличаются от черных дыр тем, что проявляют себя непосредственно - белые дыры видны для внешнего наблюдателя. Более того, антиколлапсары - довольно яркие объекты, так как излучение от их поверхности характеризуется большим синим смещением. Заметим, что хотя вращение и заряд ослабляют синее смещение, оно и в этих случаях может быть достаточно большим, т. е. энергия излучения вспышек антиколлапсаров должна быть довольно значительной, как и энергия расширяющегося вещества.

154

Отметим одно важное обстоятельство. Вращающиеся антиколлапсары как источники частиц и лучей высокой энергии проявляют себя в основном в экваториальной плоскости, т. е. наблюдению с Земли доступна лишь небольшая часть антиколлапсирующих отонов. Данное обстоятельство наряду с ограниченным временем проявления антиколлапсаров объясняет трудность наблюдения за их вспышками. Рассмотрим возможные астрономические свидетельства вспышек антиколлапсаров.

ВСПЫШКИ БЕЛЫХ И СЕРЫХ ДЫР

Загадочное открытие представляет собой обнаружение мощных всплесков космического гамма-излучения. Характерные особенности гамма-всплесков: их быстротечность, очень большая мощность излучения. Во многих теориях ученые пытались объяснить природу гамма-всплесков, но к единому мнению не пришли. Более того, точно еще не установлено, находятся ли источники гамма-всплесков в нашей Галактике или они рассеяны по всей Метагалактике. Пока еще не удалось сопоставить гамма-всплески с какими-либо известными космическими объектами. Кроме того, согласно экспериментальным данным, создается впечатление, что гамма-всплески появляются как бы на пустом месте, т. е. их источник не связан с объектами, находящимися в пространстве-времени нашей Метагалактики.

Результаты наблюдений за мощными всплесками космического гамма-излучения дают основание отождествлять их со вспышками отонов. Пространственное распределение гамма - всплесков изотропно, появление их уникально, т. е. соответствует одноразовому акту взрыва отона. Гамма - всплески являются кратковременными событиями (0,01 - 80 с), локализованными в малых областях (108 см). В случае вспышки белой дыры за гамма-всплеском следовало бы ожидать ее активных проявлений в других диапазонах электромагнитных полн. Так что, по-видимому, гамма-всплески связаны с каноническими серыми дырами, у которых всплеск «обрезается».

Обнаружение самой вспышки белой (или серой) дыры представляет собой довольно сложную экспериментальную проблему в силу кратков-

155

ременности вспышки. Если гамма-всплески связаны со вспышками серых дыр, то синхронно с гамма-всплесками должны наблюдаться и всплески гравитационного излучения.

Всплески гравитационного излучения регистрировались американским ученым Дж. Вебером, но из-за большой энергии всплесков факт обнаружения гравитационных волн был подвергнут сомнению. Гравитационные волны в эксперименте Вебера связываются с процессами в ядре. Подобное энерговыделение должно привести к испарению ядра Галактики за несколько миллионов лет, что намного меньше времени существования Метагалактики. Сказанное выше считается решающим в опровержении факта регистрации гравитационных волн. Кроме того, ожидается, что подобные огромные энерговыделения сопровождаются грандиозными космическими процессами, но они не наблюдаются.

Белые и серые дыры из других отонных миров, вызывая экстремальные возмущения ПВМ и гравитационного поля, должны вызывать мощные кратковременные всплески гравитационного излучения. Обнаружение синхронности гравитационных и гамма-всплесков было бы решающим аргументом в пользу существования вспышек белых и серых дыр. Белые дыры, в отличие от серых, после кратковременного мощного всплеска излучения могут проявить себя в форме грандиозных космических взрывов. В этом отношении представляет интерес Сверхновая 1987А, у которой регистрировался аномально большой всплеск гравитационного излучения.

Всплески нейтрино и космических лучей могут наблюдаться у белых и светло-серых дыр, так как выход вещества из-под горизонта событий у серых и темно-серых дыр невозможен. Другими свидетельствами существования белых и серых дыр являются их реликты.

РЕЛИКТЫ БЕЛЫХ И СЕРЫХ ДЫР

Реликты светло-серых дыр представляют собой остатки взрывов различной мощности.

К реликтам светло-серых дыр можно отнести квазары, неактивные ядра Галактик, джеты (протяженные выбросы из ядер галактик), межгалактический рентгеновский газ, пустоты, тяжелые химические элементы. Проявлениями серых дыр считаются и те космические феномены, которые связываются с Д-телами Амбарцумяна и гипотетическими догалактическими звездами третьего типа.

В начале 60-х гг. XX в. были открыты источники радиоизлучения, неотличимые от звезд. Когда удалось получить и расшифровать спектры этих «звездочек», последние оказались не звездами. Вновь обнаруженные объекты назвали квазизвездами («подобными звездам») или сокращенно квазарами, которые являются самыми удаленными от нас космическими объекта-

156

ми. Большая удаленность квазаров предполагает и большую мощность их излучения. Полная мощность излучения квазаров в тысячи раз превосходит мощность излучения Галактик, хотя линейные размеры Галактик в миллионы раз превосходят размеры той области квазаров, из которой исходит основная часть излучения. Проблема энергетики квазаров и активных ядер Галактик сводится к ответу на вопрос: какова природа компактных астрофизических объектов, выделяющих в исключительно малых объемах удивительно большое количество энергии? Несмотря на обилие гипотез (от экзотической мысли об аннигиляции вещества и антивещества до взрывов сверхновых звезд), вопрос о природе квазаров остается открытым.

Квазары, активные ядра Галактик, джеты - достойные кандидаты на роль реликтов светло-серых дыр. Сразу же после открытия квазаров для объяснения их природы были предложены модели белых и черных дыр. Модель белой дыры для объяснения энергетики квазаров была оставлена, так как время существования белых дыр намного меньше возраста квазаров. В 80-е г. наиболее популярной моделью активности квазаров и ядер галактик становятся черные дыры.

Особую трудность для этой модели представляет наличие в ядрах Галактик и квазарах расширяющихся облаков и других проявлений взрывной активности. Естественно, что моделью коллапса трудно объяснить антиколлапсирующие, взрывные явления. Решение проблемы стало возможно благодаря трактовке квазаров и активных ядер Галактик как реликтов серых дыр. Светлосерые дыры легко объясняют, как наряду с черными дырами в квазарах и ядрах Галактик присутствуют взрывные нестационарные феномены: одна часть светло-серой дыры, выходя далеко за горизонт событий, образует взрывные, антиколлапсирующие объекты, другая часть, коллапсируя, ведет к образованию черной дыры.

Характерным реликтом светло-серых дыр является рентгеновский межгалактический газ, обогащенный металлами. Существуют определенные свидетельства в пользу взрывного образования Галактик и даже предложена модель белой дыры для возникновения Галактик. Но реликтом белых дыр являются, скорее всего, пустоты, а для Галактик ближе модель серой дыры.

С открытием межгалактического рентгеновского газа, обогащенного металлам, появились свидетельства взрывного происхождения Галактик. Во-первых, уже само наличие горячего межгалактического газа делает вопрос о его происхождении правомерным. Во-вторых, наличие в этом газе спектральных линий, соответствующих металлам, говорит об отличии химического состава от первичного космологического вещества, состоящего из водорода и гелия. Попасть в межгалактическое пространство рентгеновский газ, обогащенный металлами, мог лишь из галактического пространства в результате взрыва предгалактического объекта светло-серой дыры, небольшая часть которой могла сколлапсировать, образовав черную дыру в центре Галактики.

157

Своеобразными реликтами белых и серых дыр являются химические элементы. Как известно, после Большого Взрыва образуется вещество, состоящее из водорода и гелия. Более тяжелые элементы возникают, как считалось, в звездах, взрывы которых обогащают межзвездную среду химическими элементами. Дальнейшее образование звезд в Галактиках, их горение и взрывы увеличивают количество тяжелых элементов. Считается, что в конечном итоге в результате подобного процесса может быть получено наблюдаемое количество химических элементов.

Но наиболее существенная трудность в механизме возникновения химических элементов появилась в связи с обнаружением тяжелых элементов в молодых Галактиках, квазарах, межгалактическом рентгеновском газе, что говорит о раннем, предгалактическом происхождении большинства химических элементов. Более того, в связи с тем, что пока не обнаружено космического вещества космологического состава (водород и гелий), естественно считать, что образование химических элементов произошло на весьма ранних этапах расширения Метагалактики в течение первых 10 млн. лет.

В моделях трансметагалактических отонных белых и серых дыр допускаются самые различные параметры, необходимые для производства химических элементов. Напомним, что и сам Большой Взрыв представляет собой антиколлапсар, правда, наблюдаемый в сопутствующей системе отсчета, т. е. производство гелия в любом случае связано с антиколлапсирующими отонами. Космические пустоты могут представлять собой реликты белых дыр. Характерной особенностью пустот является то, что Галактики находятся как бы на поверхности гигантских «пузырей», внутри которых практически нет Галактик. Данные наблюдений говорят в пользу взрывного образования пустот. Идеальной моделью мощного космического взрыва, ведущего к образованию пустот, является белая дыра. Внутригалактические области с пониженной плотностью нейтрального водорода также могут быть реликтами белых дыр. Реликтами серых и темно-серых дыр являются черные дыры.

2.5. Космологические модели происхождения Вселенной

Проблема зарождения и существования Вселенной во все времена занимала человечество. Небо, которое было доступно для его обозрения, очень его интересовало. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук. Для изучения Вселенной в целом, в астрономии появилась новая наука-космология.

По определению А.Л. Зейманова, (1913 - 1987) космология - это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества

158

и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является возможность проведения управляемого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести любое количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, то на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения.

1. Модель Исаака Ньютона (классическая Ньютоновская космология)

Основные постулаты:

1. Пространство и время Вселенной абсолютны, но они не зависят от материальных объектов и процессов;

2. Пространство и время метрически бесконечны, однородны (свойства одинаковы во всех точках) и изотропны (независимость свойств физических объектов от направления);

3. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяются системы, но не мир в целом.

Парадоксы модели:

1. Гравитационный: если Вселенная бесконечна, с бесконечным числом небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая и Вселенная в результате должна сколлапсировать;

2. Фотометрический: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, а этого нет.

2. Модель конечной, но безграничной Вселенной А. Эйнштейна

Наиболее общепринятой в космологии является модель конечной, но безграничной Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1917 году. В основе этой модели лежат следующие предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);

159

2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы;

3) метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной;

4) материя в мировом пространстве распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным отталкиванием;

5) наш мир является четырехмерной сферой, объем такой Вселенной может быть выражен конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении, но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, так как поверхность любой сферы (шара) не имеет границ;

6) время существования Вселенной бесконечно, а пространство безгранично, но конечно.

Космологию, основанную на этих постулатах, называют релятивистской. Важным пунктом данной модели является ее нестационарность, это означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии.

3. Модель А.А. Фридмана (1922 г.)

Новый этап в развитии релятивистской космологии был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана (1888 - 1925), который математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А. Фридмана в корне изменила основные положения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению, космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял несколько случаев:

1. Радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения;

2. Радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т.д.;

3. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна или меньше некоторой критической величине, то мировое пространство неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния;

4. Если плотность вещества и излучения больше критической, то пространство сжимается до первичного точечного состояния;

5. Изотропность понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям;

160

6. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной, проводя наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

4. Модель Э.П. Хаббла (1929 г.)

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 году, в связи с открытием американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. В 1929 г. Хаббл открыл замечательную закономерность, которая была названа «законом Хаббла» или «закон красного смещения»: линии Галактик смещены к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится Галактика.

Это было истолковано как следствие эффекта Допплера Христиана. Обнаруженный ранее эффект Допплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Но почему они движутся, расширяются? На Галактики постоянно действует какая-то сила. В отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел «взрыв», в результате которого и началось расширение. Чтобы выяснить дальнейшую судьбу Метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1 м, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно смещается сжатием.

Возникли два мнения по поводу состояния Метагалактики до начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество Метагалактики состояло из «холодной» смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и нейтронов. Согласно второй, температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества. Но после открытия в 1965 г. реликтового излучения А. Тицнасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения Метагалактики: через 1 с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы плотность вещества снизилась до 500 кг/см3, а t=1013 C°. В течение следующих 100 с плотность снизилась до 50 г/см2, температура упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000° это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных об-

161

лаков, из которых образовались Галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их распада образовались звезды и Галактики. Не исключено, что действовали оба механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что Галактики, подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между Галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля и, возможно, невидимые массы веществ.

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас много миллионов лет. Но все-таки нет оснований утверждать, что Метагалактика - это вся Вселенная. Возможно, существуют другие, пока неизвестные нам Метагалактики.

После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии - модель расширяющейся Вселенной. Постоянная Хаббла (скорость расширения Галактик) позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков возраст нашей Вселенной.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что в прошлом Метагалактика была не такой как сейчас и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления Галактик. У многих Галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самым большими скоростями (более 250 000 км/с) обладают некоторые квадры, которые считаются самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.

Мы живем в расширяющейся Метагалактики; расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений Галактик. Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого разбегаются Галактики. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения Метагалактики.

Промежуток расширения равен 20-13 шщд. лет. Расширение Метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между Метагалактикой и Вселенной и пытались доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное представление о боже-

162

ственности происхождения Вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности, это взрывы. Есть предположение, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.

5. Модель Ж. Леметра (1927 г.)

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем примерно 12 - 18 млрд. лет назад.

Жорж Леметр был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва» из так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и Галактики. Вводит понятие «сингулярность» - сверхплотное состояние или точечный объем с бесконечной плотностью, для описания начала расширения Вселенной. Конечно, со стороны современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.

6. Модель Г.А. Гамова (1960 г.)

(«Горячая Вселенная»)

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Георгия Антоновича Гамова (1904 - 1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины: один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А. Гамова образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».

Итак, Гамов рассматривал ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.

Эры начальной эволюции:

1. Эра адронов - тяжелых частиц, вступающих в сильное взаимодействие, время эры - 0,0001 с;

163

2. Эра лептонов - легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие, время эры - 10 сек;

3. Эра фотонов - квантов электромагнитного поля. Главную роль играет излучение, которое отделилось от вещества - 1 млн. лет;

4. Эра звезд наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик = образование Метагалактики.

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространенности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

7. Модель Я.Б. Зельдовича

(«Холодная Вселенная»)

Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Яков Борисович Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий (горячей и холодной) и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке выяснили, что электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все че-

164

тыре типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию, называемому «Великим синтезом».

Согласно квантовой теории, то, что остается после удаления частиц материи (к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым в буквальном смысле слова, как это считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен «полуживыми», так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым внесенными в него заряженными частицами.

Но что же все-таки явилось причиной «Большого Взрыва»? Судя по данным астрономии, физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно, близка к нулю. Но, даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к еще более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, в частности зависит от температуры. При сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных сил отталкивания. Именно эти силы и послужили физической причиной «Большого Взрыва» и последующего быстрого расширения Вселенной.

Рассмотрение причин и последствий космологического «Большого Взрыва» было бы не полным без еще одного физического понятия. Речь идет о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором ее размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического

165

расширения пространства, характеризуются фантастическими цифрами. Так, предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени см! Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции.

8. Модель инфляционной Вселенной

С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого «Большим Взрывом», в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.

Согласно предположениям ученых, спустя 10 в минус сорок третьей степени секунд после «Большого Взрыва» плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (10 в 94 степени грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической «пустоты» был незаметен. Однако в ходе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секунды после «Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится больше ее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума: его силы отталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33 степени секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. В результате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от одной фазы переходит в другую. Речь идет о фазовом переходе первого рода - скачкообразном изменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с ней физических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима ее расширения.

166

9. Современная модель «Большого Взрыва»

В теоретический фундамент теории положена ОТО Эйнштейна и релятивистская теория гравитации.

1. В расширяющейся Вселенной на ранней стадии вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность;

2. Расширение в результате Большого взрыва привело к постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем, в результате гравитационной конденсации (уплотнения, сгущения) образовались протогалактики (первичные галактики, т.е. образовалась непрерывно-дискретная форма существования материи), а также галактики, звезды (газо-плазменные шары, подобные Солнцу) и другие космические тела.

Календарь событий:

1. Большой Взрыв - начало вечного расширения Вселенной в бесконечное пространство (0);

2. Аннигиляция протонных и позитронных пар (1 сек. после взрыва);

3. Ядерный синтез гелия - 1 мин.;

4. Возникновение вещества во Вселенной - 10 тыс. лет;

5. Образование галактик - 1-2 млрд. лет;

6. Сжатие протогалактик, образование звезд - 4 млрд. лет;

7. Образование солнечной системы - 15 млрд. лет;

8. Образование Земли - 16 млрд. лет;

9. Зарождение микроорганизмов - 17 млрд. лет.

Новейшие теоретические модели

Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий - принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.

Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам (о том, что начальную сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности), существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.

Еще в конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее, в отличие от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома Карла Шварцшильда, впервые рассмотревшего астрофизические следствия эйнштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения, оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая - конечным.

167

Согласно недавним теоретическим представлениям, гравитационный коллапс должен завершиться сжатием вещества буквально «в точку» - до состояния бесконечной плотности. По новейшим же физическим представлениям коллапс можно остановить где-то в районе планковской величины плотности, т.е. на рубеже 10 в 94 степени грамм/см. кубический. Это значит, что Вселенная возобновляет свое расширение не с нуля, а имея геометрически определенный (минимальный) объем и физически приемлемое, регулярное состояние.

Академик М.А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе, согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение - следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же.

Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограниченно расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя, становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте.

Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то, достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной.

Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дырам (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня.

168

Должно пройти около 1066 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.

Дж. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета в своих работах нарисовали картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии, чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение и общее расширение Вселенной как целого. За определенное конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге, последней стадией существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

Второе начало термодинамики показывает, что конец эволюции Вселенной наступит, когда выровняется температура ее вещества. Так как тепло передастся от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается, совершение дальнейшей работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854 г. Г. Гельмгольцем Германом - немецким естествоиспытателем (1821-1894). Интересно, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, привели к тем же выводам, что сделал Гельмгольц. Мы не можем знать точно, каков будет исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если победит тяготение, то Вселенная когда-нибудь сколлапсирует в процессе Большого сжатия, которое может оказаться концом ее существования, либо прелюдией к новому расширению. Если же силы тяготения проиграют «сражение», то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но тяготение будет продолжать играть существенную роль в определении окончательного состояния вещества. Вещество может превратиться в безбрежное море однородного излучения, либо продолжится рассеивание темных холодных масс. В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может оказаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной.

169

2.6. Проблема хаоса и порядка во Вселенной

Причины и движущие силы изменений в природе

Предположим, что частицы вселенной не закреплены и могут, подобно состоянию возбуждения и энергии, свободно перемещаться с места на место; например, такое могло бы случиться, если бы Вселенная была газом. Предположим также, что мы создали начальное состояние вселенной, пустив струю газа в правый нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что произойдет: облако частиц начнет самопроизвольно распространяться и через некоторое время заполнит весь сосуд.

Такое поведение Вселенной можно трактовать как установление хаоса. Газ - это облако случайно движущихся частиц (само название "газ" происходит от того же корня, что и "хаос"). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и отталкиваясь, друг от друга после каждого столкновения. Движения и столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что вскоре оно равномерно распределяется по всему доступному пространству. Теперь существует лишь ничтожно малый шанс, что все частицы газа когда-нибудь спонтанно и одновременно вновь соберутся в угол сосуда, создав первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с помощью поршня, но это означает совершение работы, следовательно, процесс возврата частиц в исходное состояние не будет самопроизвольным.

Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии.

В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной "деятельностью" хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях

вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществля-

170

ется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

Соотношение понятия упорядоченности и структуры

Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура; как правило, это определенное расположение, конфигурация частиц - атомов, молекул или ионов. Так, вполне определенную структуру представляет собой кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и от куска масла, так как во всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго определенным, фиксированным. Но, имея дело с кристаллом, мы можем быть уверены, что обнаружим частицы на строго определенном расстоянии друг от друга. В бесструктурных состояниях вещества - в газах, жидкостях и аморфных твердых телах - относительные расположения частиц совершенно неопределенны.

Обобщая эти предварительные наблюдения (в дальнейшем мы будем иметь дело с более сложными примерами), нетрудно заметить, что частицы в кристаллических твердых телах расположены, упорядочено (или, как иногда говорят, обладают пространственной когерентностью); иными словами, расположение частиц взаимно коррелированно (согласованно). В противоположность этому в газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная упорядоченность практически отсутствует: расположения частиц не обладают взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что понятие структуры равнозначно понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы организованы в строго определенные конфигурации; напротив, отсутствие структуры означает и отсутствие упорядоченности, когда расположения частиц вполне случайны. В такое понимание связи структуры и порядка хорошо вписываются как твердое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные газы.

Такое предварительное определение структуры через описание вещества, состоящего из частиц с упорядоченным расположением, можно уточнить с тем, чтобы дать более адекватное описание природы жидкого состояния. При изменении расположения частиц в жидкостях одним из методов рентгеноструктурного анализа, столь широко используемых ныне для исследования строения твердых тел, обнаруживается вполне определенное локальное расположение частиц. Однако чем дальше мы отходим от данной частицы, тем все с меньшей уверенностью можем ожидать, что действительно обнаружим следующую частицу там, где ей следовало бы находиться согласно установленному локальному порядку. Иными словами, с удалением друг от друга частицы становятся все более независимыми, а их расположение - неуправляемым (т.е. взаимная корреляция частиц ослабляется).

171

Итак, твердые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или крупномасштабная когерентность - в том смысле, что расположения частиц вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ кристалла).

Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры (они не имеют даже границы своего положения); в расположении их частиц отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях.

Жидкости, как подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул), расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя ее на больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по одним направлениям являются твердыми телами, а по другим - жидкостями. Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ, микрокалькуляторов, наручных часов и т. д.

Уточним теперь наше предварительное определение структуры и расширим область его применимости. Здесь и далее мы будем рассматривать понятия структуры и упорядоченности как синонимы (лат. structure означает строение, расположение, порядок). Везде и всегда, если только устанавливается состояние упорядоченности, мы будем рассматривать это как возникновение структуры. Более того, будем считать, что упорядоченность - это не только наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она может также проявляться - и это имеет принципиальное значение - как корреляция во времени (в последнем случае термин "когерентность" употребляется в своем буквальном смысле).

Очевидно, что сюда безоговорочно относится давно знакомое нам твердое тело, которое представляет собой структуру такого типа, которая сохраняется только при условии рассеяния энергии. Подобные структуры называют диссипативными; к ним, в частности, относятся живые организмы, в том числе человек.

Диссипативные структуры - это структуры, образующиеся в результате рассеяния (диссипации) энергии. К ним относятся некоторые недолговечные структуры, которые распадаются, как только прекращается поток энергии или вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе биологическими, другие - физическими; все они возникают из хаоса - "праха" и вновь обращаются в "прах". Одной из первых описанных структур подобного вида была ячеистая структура, образующаяся в

172

жидкости при наличии конвекции между двумя горизонтальными плоскостями, нижняя из них нагрета сильнее, чем верхняя. Пока разность двух плоскостей мала, движущиеся частицы жидкости распределены хаотично. Однако когда разность температур становится достаточно большой, возникает неустойчивость Бенара, и жидкость обнаруживает структуру.

Итак, мы убеждаемся в том, что последовательность отдельных процессов, в каждом из которых энтропия лишь возрастает (т.е. хаос во Вселенной при этом увеличивается), может приводить и к возникновению структур высокой степени сложности. Поэтому, замечая какой-либо объект, обладающий сложной внутренней структурой, мы не должны сразу же делать вывод о том, что этот объект является воплощением целенаправленного замысла. Он мог возникнуть естественно в результате последовательности процессов, каждый из которых сам по себе не представляет никакой конкретной цели (разводы на мерзлом стекле), а происходит в естественном направлении, по мере того как Вселенная погружается в хаос. Именно благодаря таким локальным нарушениям общей тенденции к деградации энергии становится возможным возникновение временных упорядоченных структур - хотя деградация неуклонно влечет Вселенную к состоянию полного равновесия.

Существует множество способов убедиться в том, что разветвленная система (сеть) взаимозависимых простых процессов может привести к возникновению сложной структуры и тем самым ввести в заблуждение "стороннего наблюдателя", побуждая его предположить существование определенного замысла и "творца".

В мире нет ничего более удивительного, чем сознание, разум человека; тем большее удивление вызывает то, что в своей глубинной основе оно обусловлено весьма простыми явлениями.

В процессе "разматывания" клубка событий локально возникают различные структуры, и хотя все они преходящи, некоторые из них способны существовать миллионы лет.

Мы - дети хаоса, и глубоко в основе каждого изменения скрыт распад. Изначально существует только процесс рассеяния, деградации; все захлестывают волны хаоса, не имеющего причин и объяснений. В этом процессе отсутствует какая-либо изначальная цель, и в нем есть только непрерывное движение. Однако, как мы убедились, и в этом движении возможны различные направления, выбор которых диктуется случаем.

Но, несмотря на это, мы способны бросить взгляд вокруг себя и узреть красоту окружающей природы; мы можем заглянуть внутрь себя, испытав способность мыслить и осознать увиденное; наконец, мы можем просто получать удовольствие от жизни и наслаждаться ее дарами. Все это вселяет в нас уверенность, что природа куда как более щедра. Однако это всего лишь эмоции, и не они должны занимать наш разум.

173

Теория изменений Ильи Пригожина

В сильно упрощенном виде суть этой теории сводится к следующему. Некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы. Таковы замкнутые системы, но они в лучшем случае составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открыты - они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. К числу открытых систем, без сомнения, принадлежат биологические и социальные системы, а это означает, что любая попытка понять их в рамках механической модели, заведомо обречена на провал.

Кроме того, открытый характер подавляющего большинства систем во Вселенной наводит на мысль о том, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок, стабильность и равновесие: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

Если воспользоваться терминологией Пригожина, то можно сказать, что все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или комбинация флуктуацией может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдержит и разрушится. В этот переломный момент (который И. Пригожин называет особой точкой или точкой бифуркаци) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или организации, который И. Пригожин называет диссипативной структурой. (Физические или химические структуры такого рода получили название диссипативных потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят).

Один из ключевых моментов в острых дискуссиях, развернувшихся вокруг понятия диссипативной структуры, связан с тем, что Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

В состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения, или флуктуации, могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру, а это проливает свет на всевозможные процессы качественного или резкого ( не постепенного, не эволюционного) изменения. Факты, обнаруженные и понятые в результате изучения сильно неравновесных состояний и нелинейных процессов, в сочетании с достаточно сложными системами, наделенными обратными связями, привели к созданию совершенно нового подхода, позволяющего установить связь фундаментальных наук с "периферийными" науками о жизни и, возможно, даже понять некоторые социальные процессы.

174

Наряду с этими проблемами обнаруживается еще одна - проблема времени.

Возникновение термодинамики привело естествознание к глубокому расколу в связи с проблемой времени. Более того, даже те, кто считал время необратимым, вскоре разделились на два лагеря. Если запас энергии в системе тает, рассуждали они, то способность системы поддерживать организованные структуры ослабляется, отсюда высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Не следует забывать, однако, что именно организация наделяет систему присущим ей разнообразием. По мере того как иссякает запас энергии и растет энтропия, в системе нивелируются различия. Следовательно, второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее (прогноз с чисто человеческой точки зрения весьма пессимистический).

Более того, необходимые процессы являются источником порядка (отсюда и название книги Пригожина и Стенгерс - "Порядок и хаос"). Тесно связанные с открытостью системы и случайностью необратимые процессы порождают высокие уровни организации, например, диссипативные структуры.

Энтропия - не просто (мера беспорядка в системе) безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.

Обратимость (по крайней мере, если речь идет о достаточно больших промежутках времени) присуща замкнутым системам, необратимость - всей остальной части Вселенной.

Показывая, что при неравновесных условиях энтропия может производить не деградацию, а порядок, организацию и, в конечном счете, жизнь, Пригожин и Стенгерс подрывают и традиционные представления классической термодинамики.

Соотношение между случайностью и необходимостью

Согласно теории изменения, проистекающей из понятия диссипативной структуры, когда на систему, находящуюся в сильно неравновесном состоянии, действуют, угрожая ее структуре, флуктуации, наступает критический момент - система достигает точки бифуркации. Пригожин и Стенгерс считают, что в точке бифуркации принципиально невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. Случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того как путь (один из многих возможных) выбран, вновь вступает в силу детерминизм - и так до следующей точки бифуркации.

Таким образом, в теории Пригожина и Стенгерс случайность и необходимость выступают не как несовместимые противоположности: в судь-

175

бе системы случайность и необходимость играют важные роли, взаимно дополняя друг друга.

Предлагая строгие методы моделирования качественных изменений, Пригожин и Стенгерс позволяют по-новому взглянуть на понятие революции. Объясняя, каким образом иерархия неустойчивостей порождает структурные изменения, авторы "Порядка и хаоса" делают особенно прозрачной теорию организации. Им принадлежит также оригинальная трактовка некоторых психологических процессов, например инновационной деятельности, в которой авторы усматривают связь с "несредним" поведением (nonaverage), аналогичным возникающему в неравновесных условиях.

Еще более важные следствия теория Пригожина и Стенгерс имеет для изучения коллективного поведения. Авторы теории предостерегают против принятия генетических или социобиологических объяснений загадочных или малопонятных сторон социального поведения. Многое из того, что обычно относят за счет действия тайных биологических пружин, в действительности порождается не "эгоистичными" детерминистскими генами, а социальными взаимодействиями в неравных условиях.

(Например, в одном из недавно проведенных исследований муравьи подразделялись на две категории: "тружеников" и неактивных муравьев, или "лентяев". Особенности, определяющие принадлежность муравьев к той или другой из двух категорий, можно было бы опрометчиво отнести за счет генетической предрасположенности. Однако, как показали исследования, если разрушить сложившиеся в популяции связи, разделив муравьев на две группы, состоящие соответственно только из "тружеников и только из лентяев", то в каждой из групп, в свою очередь происходит расслоение на "лентяев" и "тружеников". Значительный процент "лентяев" внезапно превращается в прилежных "тружеников").

Когда система, эволюционируя, достигает точки бифуркации, детерминистическое описание становится непригодным. Флуктуация вынуждает систему выбрать ту ветвь, по которой будет происходить дальнейшая эволюция системы. Переход через бифуркацию - такой же случайный процесс, как бросание монеты. Другим примером может служить химический хаос. Достигнув хаоса, мы не можем более прослеживать отдельную траекторию химической системы. Не можем мы, и предсказать детали временного развития. И в этом случае, как и в предыдущем, возможно только статистическое описание. Существование неустойчивости можно рассматривать как результат флуктуации, которая сначала была локализована в малой части системы, а затем распространилась и привела к новому макроскопическому состоянию.

Теория неустойчивости

В свете последних научных исследований становится ясно, что неустойчивость и изменчивость являются характерными чертами нашего мира.

176

Этот факт является важным для изучения Вселенной и осознания нашего места в ней. В постоянно меняющемся мире нельзя достичь абсолютного контроля или точного прогнозирования. Илья Пригожин прослеживает появление нового научного взгляда на мир и высказывает мнение, что человечество в большей мере влияет на происходящее вокруг, чем предполагалось ранее, и это дает нам повод для надежд, но вместе с тем подразумевает большую ответственность.

У слова "неустойчивость" необычная судьба. Как правило, оно используется с несколько негативным оттенком, и говорить о нем не принято. Действительно, применение его достаточно редко. Это слово обычно связывают с физикой, где существует так называемый "феномен устойчивости": если раскачать маятник таким образом, чтобы центр тяжести постоянно оставался внизу, то он скоро остановится в первоначальном положении. Однако, общеизвестно, что если перевернуть маятник нооборот, то малейшего колебания будет достаточно, чтобы он упал в одну или другую сторону.

Этот феномен очень прост и известен, вероятно, тысячи лет. Уже ранние работы по механике показывают, что движение маятника было изучено во всех деталях. Очень мало, однако, написано о перевернутом маятнике. О нем предпочитают не говорить, так как феномен неустойчивости связан с достаточно сложными проблемами.

Главная из них - предсказание. Очевидно, что если устойчивый маятник и потревожить его равновесие, то с полной уверенностью можно предсказать, что через некоторое время колебания затухнут. С другой стороны, если маятник перевернут, то очень сложно предсказать в какую сторону он качнется - это зависит от его колебаний. Т. е., с одной стороны, мы имеем предсказуемую ситуацию, а с другой - нет. Появляется проблема неопределенности. В первом случае маятник является детерминированным объектом: мы знаем, что произойдет. Напротив, в ситуации с перевернутым маятником присутствует элемент неопределенности.

Эти различия между определенными и неопределенными законами природы подводят нас к более общим проблемам.

Во-первых, встает вопрос, почему в настоящее время в научных кругах говорят главным образом о неустойчивости, в то время как раньше упор делался на детерминизм? Смещение акцента на неопределенность позволяет нам более четко проследить взаимосвязь человека с природой и его деятельность внутри ее. Обращение к теории неустойчивости и неопределенности и, в конечном счете, признание того, что время, по сути, непостоянно, имеет большое значение для сокращения пропасти между социальными и точными науками.

Почему эта концепция изменит отношение человека к природе? В детерминированном мире природа считается контролируемой, она представляет собой инертный объект и подвластна нашей воле. Если же приро-

177

де внутренне присущи неопределенность и неустойчивость, мы должны относиться к ней с большим уважением, так как не можем предсказать, что произойдет в будущем.

Во-вторых, принимая теорию неопределенности, мы получаем более обобщенную концепцию науки, включая многие взгляды, существовавшие в века, когда западная наука только зарождалась. В этом смысле наука движется к более универсальному подходу, проявляя больше уважения к культурным традициям других цивилизаций.

Характерной чертой культурной жизни на настоящий момент является ее раздробленность и фрагментарность.

Лейбниц и крах теории неопределенности

Лейбниц считал неверным мнение Ньютона, что Бог время от времени сходит на Землю для того, чтобы исправить что-либо.

В конце концов, победила теория Лейбница, который говорил о вездесущем и всемогущем Боге, которому нет необходимости возвращаться на Землю. Он верил, что когда-нибудь наука тоже станет всезнающей и ученый обретет знания равные божественным. Для обладателя таких знаний не будет прошлого и будущего, все для него будет в настоящем. В этих условиях неизбежна потеря смысла времени. Это доказывало, что мы начинаем двигаться к получению абсолютных знаний.

Естественно, в этих условиях объектом повышенного внимания стал устойчивый маятник; неустойчивый же считался объектом, противным природе и заслуживающим внимание лишь в качестве курьезного факта. Т.о. наука отошла от его изучения. Однако, согласно концепции Лейбница, в природе не существовало места для множественных исходов, инноваций и т.н. подхода Ньютона. Материя была просто движущейся массой; это движение не имело ни начала, ни конца и было вечным. С этой точки зрения не было ни истории, ни каких-либо событий.

Это развенчание теории неустойчивости, обращение к детерминизму и отрицание времени создало два взгляда на Вселенную:

Вселенная, которую мы видим вокруг нас и которая предстает перед нами в виде отрегулированного автомата, находится в постоянном движении, считал Лейбниц;

взгляд на Вселенную как на микрокосмос, который мы получаем, заглядывая вглубь себя и который постоянно меняется.

В результате вся гуманитарная и социальная литература является выражением неопределенности нашего будущего, его устройства. В настоящее время, когда физика обратила свой взор на теорию непостоянства, мир, который мы видим снаружи и мир, который мы наблюдаем внутри, находят все больше точек соприкосновения. Это слияние двух миров, возможно, является одним из культурных важнейших событий нашего века.

178

Открытия, предшествовавшие обращению к теории непостоянства

В основе лежит целая серия взаимосвязанных и теоретических открытий:

открытие неустойчивых структур, которые, тем не менее, связаны в систему и являются результатом необратимых процессов и времени;

открытие конструктивной роли времени;

появление новых идей в области динамики, неустойчивых систем, которые полностью изменили наш взгляд на детерминизм.

Наконец, необходимо отметить открытия в области элементарных частиц, которые показали, что материя неустойчива, непостоянна, а также открытия в космологии, которые показали, что вселенная имеет свою историю, что шло в резкое противоречие с детерминированной теорией.

Большую роль сыграли открытия в области макроскопического анализа, химии, изучении атмосферных явлений.

В XIX веке был сформулирован знаменитый закон роста энтропии - предполагалось, что он неупорядочен, так как существовала твердая уверенность в отсутствии самого смысла понятия времени. В очередной раз наука столкнулась с утверждением, основанном только на идеологических предпосылках.

Необходимо отметить, что наука в сильной степени идеалогизированна, она так же имеет в своей основе собственную культуру и, зачастую, новые идеи, омолаживающие науку, приходят со стороны, от носителей иных культурных традиций. Тот факт, что разнообразные типы культур принимают сегодня участие в формировании научных взглядов, очень отраден. Будут ставиться новые вопросы, за которыми последуют новые открытия, которые в свою очередь окажут влияние на формирование нового научного мировоззрения.

Развитие Вселенной с позиции порядка и хаоса

Сегодня мы знаем, что рост энтропии нехаотичен, и что хаос и порядок сосуществуют. Если наполнить два сосуда двумя различными газами, например, водородом и азотом, а затем один из сосудов нагреть, а другой охладить, мы увидим, что в одном из них скопилось больше водорода, а в другом - азота. Это происходит из-за температурных различий. В этом случае у нас налицо явление рассеивания, создающее хаос, в то время как действие нагревания порождает порядок: водород с одной стороны, азот с другой стороны. Порядок и хаос тесно взаимосвязаны, они дополняют друг друга. Это один из примеров изменения восприятия вселенной на настоящий момент.

Долгое время наш взгляд на Вселенную был неполным, однобоким. Наше восприятие можно было сравнить с впечатлением, которой производит Венеция, когда наблюдаешь ее с высоты птичьего полета. Мы видим лишь прекрасные здания и площади и восхищаемся красотой этого горо-

179

да, однако, если спуститься вниз и оглядеться по сторонам, мы увидим те же грязные улицы, москитов, досаждающих нам. Только так мы получим полное представление об этом месте. Интересно отметить, что согласно современным космополитическим теориям, вселенная была создана и расширяется хаотично, однако внутри этого хаоса существует определенный порядок.

Сегодня мы знаем, что на каждый миллиард неупорядоченных протонов существует одна элементарная частица, способная организовать упорядоченные структуры. Наше восприятие стало двойственным - оба аспекта хаоса и порядка существуют и дают нам разностороннее представление о вселенной. Неуравновешенность ведет не только к появлению строго хаоса или порядка; она предполагает различные исходы. Эта ситуация описывается нелинейными зависимостями, которые всегда предполагают несколько решений. Мы также знаем, что в каждый новый момент появляется новое решение - это так называемый феномен бифуркации, который, в конечном счете, ведет к новым пространственно-временным организациям. В качестве примера можно привести химические часы, в которых молекулы в один момент становятся синими, немного позже - красными, затем снова синими и снова красными.

Таким образом, молекулы могут взаимодействовать. Связи между молекулами находящиеся в хаотичном состоянии значительно шире связей, возникающих в состоянии порядка. В условиях равновесия каждая молекула может взаимодействовать только с непосредственными соседями; в состоянии же колебания молекула имеет связь со всей системой в целом. Эта разница сравнима со сравнением возможностей слепого и зрячего человека.

В настоящее время появляются новые гипотезы, позволяющие более тесно связать различные события с реальным миром, основанные на понятии центра притяжения.

Если вывести маятник из состояния равновесия, он вернется в строго определенную точку - это так называемый пунктуальный центр тяготения: в случае с химическими газами мы имели дело с периодическими. В дальнейшем были открыты значительно более сложные центры притяжения, связанные с множеством точек (назовем их "странными центрами"). Система двигается от одной точки к другой - это смесь уравновешенности и неуравновешенности. Большой интерес для физиков, химиков, метеорологов и экологов представляет факт, что окружающий нас мир, экология и даже нервная система могут быть поняты лучше, если смотреть на них одновременно с позиций хаоса и порядка. Они определяются "странными центрами", а, следовательно, сочетают уравновешенность и неуравновешенность именно поэтому так трудно предсказать, что произойдет в дальнейшем.

180

Разумеется, это не означает, что такие системы не могут быть описаны наукой. Мы не выбираем мир, который описываем, мы просто родились в нем и должны воспринимать все так, как есть и не позволять априорным суждениям захватывать наш рассудок. Этот мир является нестабильным, однако, тот факт, что мы признали это, не является капитуляцией, напротив, это попытка составить новую теоретическую и экспериментальную модель, описывающую нестабильный характер Вселенной.

Во времена открытия неустойчивых структур произошло также фундаментальное открытие в области исследования траекторий. Сегодня мы знаем, что траектории многих систем непостоянны - снова появляется слово "неустойчивость", так как мы можем только предположить, что произойдет через короткий промежуток времени. Спустя этот короткий промежуток времени, называемый временным горизонтом или экспонентой Ляпунова, мы потеряем траекторию из вида и не сможем получать информацию. Нестабильность мира означает, что, несмотря на наши знания в области точных наук, будущее так и останется непредсказуемым.

Можно провести тесную аналогию с литературными произведениями: первая глава романа начинается с описания ситуации посредством ограниченного числа слов, открытия возможности для самых различных вариантов развития ситуации. В конечном итоге удовольствие от чтения состоит в том, чтобы понять какой из возможных вариантов будет использован. Также и в фугах Баха: начав свое произведение одной музыкальной темой, Бах выбирает продолжение из множества различных вариантов. Этот мир сильно отличается от классического, и это распространяется на физику и на космологию. Понятие неустойчивости ведет к новому рационализму, который положит конец идее абсолютного контроля и вместе с ним всем мечтам об идеально контролируемом обществе. Следует признать, что реальность неконтролируема в том смысле, в котором раньше декларировала это официальная наука.

Сегодня наука уже не мыслима без вышеописанного элемента неопределенности. Преодолевается былая пропасть между социальными и точными науками. Согласно старой идеологии, события, будь то возникновение жизни или возникновение вселенной, считались практически антинаучными. Фрейд сказал: "История науки есть история возрастающего отчуждения". Галилео доказал, что мы живем не в геоцентрической Вселенной. Дарвин показал, что мы были одним из многих других животных. Фрейд нашел доказательства тому, что сознательное является лишь частью подсознательного. История науки - это отчуждение. Однако встречаются и прямо противоположные мнения. Человечество продолжает искать фундаментальные законы, на которых функционирует Вселенная, исходя из теорий сегодняшнего дня.

181