Астрономия

Красота и величие темного ночного неба всегда волнуют нас. Каждое светящееся пятнышко на нем — образ звезды, ее свет, который давно, может быть задолго до нашего рождения, оторвался от светила. Человеку трудно представить себе необъятные просторы Вселенной, протекающие в ней сложные и мощные процессы, приводят нас в трепет. Свет от некоторых видимых объектов шел к Земле миллионы лет, а ведь расстояние от нас до Луны тот же луч света преодолевает меньше чем за две секунды. Наша Земля — всего лишь песчинка, затерявшаяся в бескрайнем пространстве, одна из девяти планет, обращающихся вокруг неприметной желтой звезды, называемой Солнцем… Многие люди, всматриваясь в небо и смотря на звёзды, думают, что хотя их жизнь и имеет свой конец, но эти все далекие звезды будут всегда — Вселенная бесконечна. Но это не так. Все в этом мире изменяется и Вселенная не исключение. Но было ли у Вселенной начало и будет ли конец? Если было начало, то для Вселенной было ''началом''? В этой работе мне хотелось бы рассмотреть современные теории возникновение и развитие Вселенной. Для данной работы в качестве основного материала использовалась книги ''Мечта Эйнштейна, в поисках единой теории строения Вселенной'', ''Фейманские лекции по физике'', ''Вселенная, жизнь, разум'' и ''Прошлое и будущее Вселенной''. Остальные источники использовались как дополняющие и поясняющие. Мы начнем с теории возникновение Вселенной.

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем. Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело — будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию "гипотезой Канта-Лапласа". Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом Солнцем и планетами.

Все весомые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обусловливает движение планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет. Теория гравитации, созданная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Другая теория гравитации, разработанная Эйнштейном, является величайшим достижением теоретической физики XX века. В течение столетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пытались поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и, наконец, уже в самое последнее время рассчитать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной. Необозримая сложность окружающих нас тел обусловлена такой многоступенчатой структурой, конечные элементы которой — элементарные частицы — обладают сравнительно небольшим числом видов взаимодействия. Но эти виды взаимодействия резко отличаются по своей силе. Частицы, образующие атомные ядра, связаны между собой самыми могучими из всех известных нам сил; для того чтобы отделить эти частицы друг от друга, необходимо затратить колоссальное количество энергии. Электроны в атоме связаны с ядром электромагнитными силами; достаточно сообщить им весьма скромную энергию (как правило, достаточно энергии химической реакции), как электроны уже отделяются от ядра. Если говорить об элементарных частицах и атомах, то для них самым слабым взаимодействием является гравитационное взаимодействие. При сопоставлении с взаимодействием элементарных частиц гравитационные силы настолько слабы, что это трудно себе представить, но именно они полностью регулируют движение небесных тел. Это происходит потому, что тяготение сочетает в себе две особенности, из-за которых его действие усиливается, когда мы переходим к крупным телам. В отличие от атомного взаимодействия, силы гравитационного притяжения ощутимы и на большом удалении от созидающих их тел. Кроме того, гравитационные силы — это всегда силы притяжения, тела всегда притягиваются друг к другу. Развитие теории гравитации произошло в самом начале становления современной науки на примере взаимодействия небесных тел. Задачу облегчило то, что небесные тела движутся в вакууме мирового пространства без побочного влияния других сил. Блестящие астрономы Галилей и Кеплер подготовили своими трудами почву для следующих открытий в этой области. В дальнейшем великий Ньютон сумел придумать целостную теорию и придать ей математическую форму.

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, а это слово первоначально означало “порядок” и “красоту”. Системы мира — это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, планет, звезд и других небесных тел.

Цель астрофизики — изучение физической природы и эволюции отдельных космических объектов, включая и всю Вселенную. Таким образом, астрофизика решает наиболее общие задачи астрономии в целом. За последние десятилетия она стала ведущим разделом астрономии. Это не означает, что роль таких «классических» разделов как небесная механика, астрометрия и т. п. — уменьшилась. Наоборот, количество и значимость работ в традиционных областях астрономии в настоящее время также растет, но в астрофизике этот рост проходит быстрее. В целом астрономия развивается гармонически, как единая наука, и направление исследований в различных ее разделах учитывает взаимные их интересы, в том числе и астрофизики. Так, например, развитие космических исследований частично способствовало возникновению нового раздела небесной механики — астродинамики. Построение космических моделей Вселенной предъявляет особые требования к «классическим задачам» астрометрии и т. д. Как известно, за свою многовековую историю астрономия претерпела несколько революций, полностью изменивших ее характер. Одним из результатов этого процесса явилось возникновение и бурное развитие астрофизики. Особенно этому способствовало применение телескопа с начала XVII века, открытие спектрального анализа и изобретение фотографии в XIX веке, возникновение фотоэлектрики, радиоастрономии и внеатмосферных методов исследования в XX веке. Все это необычно расширило возможности наблюдательной или практической астрофизики, и привело к тому, что в середине XX века астрономия стала всеволновой, т. е. получила возможность извлекать информацию из любого диапазона спектра электромагнитных излучений.

В одном из выступлений А. Эйнштейн сказал (в 1929 г.): "Если говорить честно, мы хотим не только узнать, как устроена, но и по возможности достичь цели утопической и дерзкой на вид — понять, почему природа является именно такой... В этом состоит прометеевский элемент научного творчества".
Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов нашего века, когда была надежно установлена их действительная природа, и оказалось, что это не туманности, т. е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях. Открытия и исследования в области космологии прояснили в последние десятилетия многое из того, что касается предыстории галактик и звезд, физического состояния разряженного вещества, из которого они формировались в очень далекие времена. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея — идея гравитационной неустойчивости, восходящая к Ньютону. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремится создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов"-протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы — галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру: в них формировались галактики более или менее сферической формы и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной — возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы.

Неудивительно, что первый полет космического аппарата выше околоземной орбиты был направлен к Луне. Эта честь принадлежит советскому космическому аппарату "Луна-1", запуск которого был осуществлен 2 января 1958 года. В соответствии с программой полета, через несколько дней он прошел на расстоянии 6.000 километров от поверхности Луны. Позднее в том же году, в середине сентября, подобный аппарат серии "Луна" достиг поверхности естественного спутника Земли.
Еще через год, в октябре 1959 года, автоматический аппарат "Луна-3", оснащенный аппаратурой для фотографирования, провел съемку обратной стороны Луны (около 70% поверхности) и передал ее изображение на Землю. Аппарат имел систему ориентации с датчиками Солнца и Луны и реактивными двигателями, работавшими на сжатом газе, систему управления и терморегулирования. Его масса составляла 280 килограмм. Создание "Луны-3" было техническим достижением для того времени, которое принесло информацию об обратной стороне Луны: были обнаружены заметные различия с видимой стороной, прежде всего, отсутствие протяженных лунных морей.
В феврале 1966 года аппарат "Луна-9" доставил на Луну автоматическую лунную станцию, совершившую мягкую посадку и передавшую на Землю несколько панорам близлежащей поверхности — мрачной каменистой пустыни. Система управления обеспечивала ориентацию аппарата, включение тормозной ступени по команде от радиолокатора на высоте 75 километров над поверхностью Луны и отделение станции от нее непосредственно перед падением. Амортизация обеспечивалась надувным резиновым баллоном. Масса "Луны-9" — около 1800 кг, масса станции — около 100 кг.
Следующим шагом в советской лунной программе были автоматические станции "Луна-16", "Луна-20", "Луна-24", предназначенные для забора грунта с поверхности Луны и доставки его образцов на Землю. Их масса была около 1900 кг. Помимо тормозной двигательной установки и "четырехлапого" посадочного устройства, в состав станций входили грунтозаборное устройство и взлетная ракетная ступень с возвращаемым аппаратом для доставки грунта. Полеты состоялись в 1970, 1972 и 1976 годах, на Землю были доставлены небольшие количества грунта.

Происхождение Вселенной
Что же означает термин Вселенная. Попробуем дать понятие этому термину. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Этот термин приобрел специ¬фически научное звучание.
Вполне понятно, почему постепенно происходит сужение науч¬ного значения термина Вселенная. Это связано с тем, что естество¬знание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпи¬рически проверяемо современными научными методами.
Еще с давних времен людей мучает вопрос: откуда и каким образом произо¬шел мир. Во времена, когда в культуре господствовала мифология, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ве¬дах» распадом первочеловека Пуруши. Также русскими апокрифами подтверждается то, что это общая ми¬фологическая схема. Христианство уверяло людей, что мир сотворил Бог из ничего.
Вскоре на смену мифо¬логическим и религиозным пониманиям с появлением науки научные представления о проис¬хождении Вселенной меняются.
Разбирая определение Вселенной, следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная.
Бытие является философским понятием. Оно обозначает все существующее, бытующее.
Универсум употребляется как в науке, так и в философии. У этого термина отсутствует специфическая философская нагрузка.
Космология занимается исследованием вселенной. Это наука о космосе.
Если вдуматься в смысл этого слово, то оно тоже не случайно. Ведь раньше в Древней Греции, под космосом понималось не то понятие, как сегодня. Космос тогда принимался как «поря¬док», «гармония», в противоположность «хаосу» — «беспорядку». Сейчас же под термином космос понимают все, находящееся за пределами атмосферы Земли.
Сделаем вывод: в основе своей наука космология открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск зако¬нов его функционирования.
Целью изучения Вселенной как единого упорядоченного целого является открытие данных законов.
Определим предпосылки, на которых держится это учение.
Во-пер¬вых, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека.
Во-вторых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной.
В-третьих, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную.
Моделями происхождения и развития Вселенной занимается космология. Представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом является одним из основных принципов современного естествознания.

Сценарий Большого взрыва. Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового космического излучения, химического состава догалактического вещества и иерархии масштабов космических структур, стандартная модель эволюции Вселенной базируется на ряде исходных предположений (о свойствах материи, пространства и времени), играющих роль своеобразных начальных условий расширения мира. В качестве одной из рабочих гипотез этой модели выступает предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной на протяжении всех этапов ее эволюции.
Кроме того, основываясь на данных о спектре микроволнового излучения, естественно предположить, что во Вселенной в прошлом существовало состояние термодинамического равновесия между плазмой и излучением, температура которого была высока. Наконец, экстраполируя в прошлое законы возрастания плотностей вещества и энергии излучения, нам придется предположить, что уже при температуре плазмы, близкой к 1010 К, в ней существовали протоны и нейтроны, которые были ответственны за формирование химического состава космического вещества.
Очевидно, что подобный комплекс начальных условий нельзя формально экстраполировать на самые ранние этапы расширения Вселенной, когда температура плазмы превышает 1012 К, поскольку в этих условиях произошли бы качественные изменения состава материи, связанные, в частности, с квартовой структуры нуклонов. Этот период, предшествующий этапу с температурой около 1012 К, естественно отнести к сверх ранним стадиям расширения Вселенной, о которых, к сожалению, в настоящее время известно еще очень мало.
Дело в том, что по мере углубления в прошлое Вселенной мы неизбежно сталкиваемся с необходимостью описывать процессы взаимопревращений элементарных частиц со все большей и большей энергией, в десятки и даже тысячи раз превышающей порог энергий, доступных исследованию на самых мощных современных ускорителях. В подобной ситуации, очевидно, возникает целый комплекс проблем, связанных, во-первых, с нашим незнанием новых типов частиц, рождающихся в условиях высоких плотностей плазмы, а во-вторых, с отсутствием «надежной» теории, позволившей бы предсказать основные характеристики космологического субстрата в этот период.

На протяжении веков человек стремился разгадать тайну великого мирового «порядка» Вселенной, которую древнегреческие философы и назвали Космосом (в переводе с греческого — «порядок», «красота») в отличие от Хаоса, предшествовавшего, как они считали, появлению Космоса.
Первые, дошедшие до нас естественнонаучные представления об окружающей нас Вселенной сформулировали древнегреческие философы в VII – V вв. до н. э. Их натурфилософские учения, опирались на накопленные ранее астрономические знания египтян, шумеров, вавилонян, арийцев, но отличались существенной ролью объясняющих гипотез, стремлением проникнуть в скрытый механизм явлений.
Наблюдение круглых дисков Солнца, Луны, закругленной линии горизонта, а так же границы тени Земли, наползающей на луну при ее затмениях, правильная повторяемость дня и ночи, времен года, восходов и заходов светил — все это наводило на мысль, что в основе строения вселенной лежит принцип круговых форм и движений, «цикличности» и равномерности изменений. Но вплоть до II в. до н. э. не существовало отдельного учения о небе, которое объединило бы все знания в этой области в единую систему. Представления о небесных явлениях, как и явлениях «в верхнем воздухе» — буквально о «метеорных явлениях», —долгое время входили в общие умозрительные учения о природе в целом. Эти учения несколько позднее стали называть физикой (от греческого слова «фюзис» — природа — в значении «периоды, существа вещей и явлений»). Главным содержанием этой древней полуфилософской «физики», или в нашем понимании — натурфилософии, включавшей в качестве едва ли не главных элементов космологию и космогонию, были поиски того неизменного начала, которое, как полагали, лежит в основе мира изменчивых явлений.
Все накопленные веками знания о природе (вплоть до технического и житейского опыта) были объединены и систематизированы Аристотелем (384 - 322 гг. до н. э.). Он большую часть жизни провел в Афинах, где основал свою знаменитую Академию. Ему же принадлежит и первая универсальная картина мира. Это было учение о структуре, свойствах и движении всего, что входит в понятие природы. Вместе с тем, Аристотель впервые отделил мир земных (вернее, «подлунных») явлений от мира небесного, от собственно Космоса с его якобы особенными законами и природой объектов. В специальном тракте «о небе» Аристотель нарисовал свою натурфилософскую картину мира.