1. Вселенная: строение и эволюция

С древности человек задумывался о том, что собой представляет мир, который его окружает. Поэтому и наука о Вселенной - одна из самых древних. Долгое время представления о Вселенной переплетались с религиозными верованиями. Согласно им, мир разделен на две части - земную и небесную. При этом считалось, что звезды прикреплены к "тверди небесной". В дальнейшем утвердилась геоцентрическая система мира. Обоснование она получила в трудах античных ученых - философа Аристотеля, астронома Клавдия Птолемея. Геоцентрическая система мира основывалась на представлении о неподвижности Земли, вокруг которой движутся Луна, планеты, Солнце и "сфера неподвижных звезд". Эту картину Вселенной, в честь ученых, внесших основополагающий вклад в ее построение, называют иногда "Вселенной Аристотеля - Птолемея". Поскольку многие положения геоцентрической системы не противоречили религиозным мифам о строении мира, то она была воспринята церковью и поддерживалась ею на протяжении двух тысячелетий.

Только в XVI веке появилось новое учение. Его создал гениальный польский ученый Николай Коперник. Согласно новому учению, в центре Вселенной находится Солнце, а не Земля. Вокруг Земли вращается Луна. Эту систему называли гелиоцентрической (солнце - по-гречески гелиос).

Новая картина мира утверждалась в тяжелой борьбе с религией; на учение Коперника был наложен официальный запрет, его сторонники подвергались гонениям. По приговору инквизиции был сожжен последователь Коперника итальянский ученый Джордано Бруно. Он отстаивал гелиоцентрическую систему и высказал еще более смелые идеи о множественности миров, о том, что звезды подобны нашему Солнцу: вокруг них могут вращаться планеты, на которых возможна жизнь. Открытия Галилея, сделанные с помощью телескопа, дали новые доказательства в пользу правильности учения Коперника. Были открыты четыре спутника Юпитера, что опровергало ошибочное представление о Земле как единственном центре движения небесных тел.

Дальнейшее развитие науки подтвердило гениальную догадку Джордано Бруно о том, что звезды представляют собой миры, подобные нашей Солнечной системе. Все это привело к утверждению новой картины Вселенной, теперь она представлялась миром звезд. Солнце, лишившись ореола уникальности, предстало рядовым светилом во Вселенной. Многое в утверждении этой картины было сделано английским ученым Гершелем, объектом астрономического познания стала фактически вся наша Галактика, в которую входят миллиарды звезд.

Следующим этапом, принципиально расширившим перед наукой масштабы Вселенной, было открытие других звездных миров - галактик. Мысли об их множественности высказывались давно. Но только разрешение "подозреваемых" туманностей на звезды, т. е. обнаружение звезд в туманностях, произведенное Хабблом в первой трети нашего века, ознаменовало выход познания на уровень мира галактик. Признание этой картины Вселенной - картины мира галактик ("звездных островов") прошло сравнительно быстро и "безболезненно". Одновременно появилось и более общее представление о "расширяющейся Вселенной". Оно было неожиданностью для научного сообщества и поэтому многие ученые не сразу приняли его. Основополагающими были труды советского ученого А. А. Фридмана и бельгийского космолога Ж. Леметра. Картина "Вселенной Фридмана - Леметра" описывает расширяющуюся систему скоплений галактик - Метагалактику.

Таким образом, в истории науки было несколько картин Вселенной, последовательная смена которых вела ко все более глубокому пониманию мира. Если же говорить о Вселенной как таковой, как единой глобальной объективной реальности, то не надо сводить речь лишь к тем или иным естественнонаучным картинам, а понимать под ней (Вселенной) весь материальный мир (как познанный, так и непознанный) в его цельности и единстве.

Каково место нашей Земли в познанной области Вселенной? Земля является третьей по размещению планетой Солнечной системы и находится примерно на расстоянии 150 миллионов километров от центрального светила. Размеры же всей Солнечной системы составляют примерно 10 миллиардов километров, что в миллион раз превышает диаметр Земли. Чтобы нагляднее представить относительные размеры Солнечной системы и место Земли в ней, представим Солнце в виде шара диаметром 14 сантиметров. В этом масштабе ближайшая к Солнцу планета - Меркурий будет находиться от него на расстоянии 5,6 метра, Земля - 15, а самая удаленная планета Солнечной системы - Плутон на расстоянии 600 метров. Земля же в этом масштабе будет представлять собой песчинку, размером немногим больше миллиметра.

Если мы захотим представить положение Земли и Солнца в мире звезд, нам придется ввести новую единицу измерения, ибо привычные нам единицы измерения расстояний - метр, километр малы в масштабах звездного мира. Такой единицей измерения межзвездных расстояний является "световой год", т. е. расстояние, которое свет, имеющий максимальную скорость в природе - 300 тысяч километров в секунду, проходит за год. Световой год равен 10000 миллиардов километров. Ближайшая к Солнцу звезда - Проксима Центавра удалена на расстояние около 4 световых лет. В грандиозном звездном мире - Галактике насчитывается около 150 миллиардов звезд самых различных типов.

Галактика имеет довольно сложную структуру, в грубом приближении она напоминает двояковыпуклую линзу или гигантский диск, толщина которого около 1,5 тысячи, а диаметр - 100 тысяч световых лет. В центре Галактики находится ядро; плотность звезд в нем в 20 тысяч раз больше средней плотности по Галактике. Наше Солнце находится на расстоянии 30 тысяч световых лет от ядра.

Галактика не одинока во Вселенной: в окружающем нас мире насчитываются миллиарды галактик. Ближайшая из них - туманность Андромеды - находится на расстоянии двух миллионов световых лет. Галактики образуют гравитационно связанные системы - скопления галактик, вся совокупность которых образует грандиозную систему - расширяющуюся Метагалактику. Размеры ее - порядка десяти миллиардов световых лет.

Метагалактика - самый грандиозный из известных науке объектов в мире. Теоретическое открытие расширения мира галактик - одно из выдающихся открытий в истории астрономии и космологии. Его сделал советский ученый А. А. Фридман в первой трети нашего века.

Результаты, полученные А. А. Фридманом, казались в свое время фантастическими, неправдоподобными. Даже самому создателю новой теории тяготения, на основе которой был получен вывод о расширении Вселенной,- Эйнштейну они "представлялись подозрительными". Нестационарная, расширяющаяся, взрывающаяся Вселенная!.. Нет, это было уж слишком невероятным выводом для научной общественности того времени, когда неизменность Вселенной казалась естественным и несокрушимым положением научной картины мира. А. А. Фридман показал, что пространство, подобно поверхности надуваемого резинового шара, может расширяться. В рамках современной космологии было получено множество различных моделей, говорящих как о бесконечном расширении, так и о возможности сжатия в будущем Вселенной.

Какая модель соответствует реальности? Ответ на этот вопрос зависит от средней плотности наблюдаемой Вселенной. Если эта плотность меньше так называемой критической, то расширение должно продолжаться неограниченно долго, а пространство - обладать бесконечным объемом. Это открытая модель. Если плотность материи больше критической, то расширение должно смениться сжатием, а пространство - обладать конечным объемом (закрытая модель). Имеющиеся данные говорят в пользу открытой модели.

Если Вселенная расширяется, значит, когда-то она находилась в сжатом состоянии с большей средней плотностью материи. Уравнения показывают, что в прошлом Вселенной состояние материи было с бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени, или, как говорят, начального сингулярного состояния. Как показывают расчеты, от начального состояния прошло порядка 15-20 миллиардов лет, что примерно и представляет возраст расширяющейся системы скоплений галактик - Метагалактики, которую зачастую неоправданно отождествляют со всей Вселенной. Это отчасти и привело к понятиям типа "возраста Вселенной", ее "рождения".

Сторонники религиозно-идеалистических взглядов о "рождении", "творении" Вселенной свою точку зрения связывают с теорией Ж. Леметра, который сформулировал вывод, что мир произошел не из первичной туманности, а из какого-то сверхплотного состояния материи, из некоего "первоатома". Взрыв и рассеяние этого "первоатома" в конце концов и привели к образованию всей наблюдаемой структуры космоса.

Теологи истолковывают взрыв, "первотолчок", как вмешательство сверхъестественных божественных сил в процесс космической эволюции. Пример теологического истолкования достижений современной космологии дал папа Пий XII в знаменитой речи "Доказательство бытия бога в свете современного естествознания", произнесенной в папской академии наук 22 ноября 1951 года. Он использовал теорию "расширяющейся Вселенной" для доказательства творения мира богом.

Конечно, никаких доказательств, которые бы свидетельствовали в пользу божественных сил в мире, теологи представить не могут. Более того, многие ученые считают, что у наблюдаемой части Вселенной до ее расширения была эпоха сжатия. В современной космологии все более получают обоснование представления о множественности метагалактик, о необыкновенности глобальной структуры пространства-времени. В этих представлениях вообще снимается вопрос о "творении", поскольку возникновение Метагалактики, одного из множества подобных объектов во Вселенной, естественно, не означает возникновения всей Вселенной.

Другим фундаментальным подтверждением современной космологии является открытие реликтового (оставшегося от далекого прошлого) излучения Вселенной, которое было предсказано в рамках теории "расширяющейся Вселенной".

Если взглянуть на ночное, безлунное небо, то оно представляется темным, пустым пространством, в которое вкраплены отдельные светящиеся точки - звезды. Ощущение пустоты космического пространства еще более усиливается, если вспомнить, как исчезающе малы размеры звезд по сравнению с межзвездными расстояниями, которые превосходят звездные диаметры в десятки миллионов раз. Это дало основание известному астроному Дж. Джинсу говорить о том, что "Вселенная состоит в целом не из звезд, а из безнадежной пустоты, из непостижимо огромных пустынь пространств".

С помощью радиотелескопов можно по-новому взглянуть на ночное небо и на Вселенную в целом и "увидеть" электромагнитное излучение, которое пронизывает все обозримое космическое пространство. Подобно тому, как все на Земле погружено в воздушный океан (атмосферу), так и все объекты Вселенной погружены в океан электромагнитного, реликтового излучения. Около пятисот реликтовых фотонов - квантов электромагнитного поля - находится в каждом кубическом сантиметре космического пространства. Ни о каких "пустынях пространств" Вселенной после открытия реликтового излучения говорить уже не приходится.

Открытие реликтового фона экспериментально доказало, что в прошлом Вселенная (Метагалактика) имела, по крайней мере, в тысячу раз меньшие пространственные параметры и соответственно в миллиард раз большую плотность. Наглядно это можно представить следующим образом. Если Метагалактику сопоставить с шаром, диаметром равным одному метру, то уменьшение его пространственных параметров в тысячу раз привело бы к сверхминиатюрному шарику с миллиметровым диаметром, и при обычной для земных условий плотности исходного метрового шара масса миллиметровой песчинки составила бы сотни тонн, а плотность - порядка сотен тысяч тонн в кубическом сантиметре.

То состояние Метагалактики, о котором дает нам знать реликтовое излучение, отделено от начального момента расширения промежутком времени, равным примерно "всего" одному миллиону лет. Если эти промежутки времени сравнить с масштабами человеческой жизни, то можно сказать, что наблюдательные данные позволяют описать жизнь Метагалактики уже с третьего дня после ее рождения.

Как предсказывает теория, эволюция нашей Метагалактики по преимущественному составу различных форм материи делится на четыре эпохи: адронную, лептонную, излучения и вещества. Адронная - когда в составе космической материи преобладают тяжелые элементарные частицы - адроны; длится эта эпоха менее одной миллионной доли секунды, плотность материи превосходит ядерную, а температура - 1000 миллиардов градусов. Лептонная - когда преобладают легкие элементарные частицы - лептоны; длится около десяти секунд. В эпоху излучения преобладают частицы света - фотоны и неуловимые нейтрино. Длилась она порядка миллиона лет, в конце ее плотность материи упала до средней плотности материи в галактиках, а температура - до нескольких тысяч градусов. Эпоха вещества длится уже порядка пятнадцати - двадцати миллиардов лет.

Мы живем в эпоху вещества, и она еще продлится неопределенно долго. Плотность вещества преобладает над плотностью излучения. В начале этой эпохи произошло объединение ядер с электронами, вещество стало нейтральным и прозрачным для реликтового излучения. Оно отделилось от вещества и, начав "жить самостоятельно", дошло до наших дней. Ученые, уловив его, заглянули далеко в глубь истории Вселенной. После отделения излучения от вещества стало возможным образование различных космических объектов (скоплений галактик, галактик, звезд, планет и т. д.). Современная наука может с той или иной степенью точности обрисовать картину образования наблюдаемой структуры Вселенной.

Наука наших дней может проникать не только в прошлое космоса, но и предсказывать будущее космических объектов и систем. Особенно хорошо изучена эволюция звезд: в космическом пространстве имеется диффузное вещество, из него путем конденсации образуется своего рода эмбрион звезды - протозвезда. Она излучает тепло, сжимается, ее плотность, температура и давление увеличиваются до тех пор, пока не начнут идти термоядерные реакции. С этого момента протозвезда превращается в звезду. Запасы ядерного горючего в звезде хотя и громадны - может излучать энергию в течение миллиардов лет, но конечны. После исчерпания источника ядерной энергии звезда "умирает", образуется звездный труп - постзвезда, являющаяся конечным продуктом эволюции. В этот класс объектов входят белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, а также гипотетические гиперонные звезды и "пигмеи".

В зависимости от массы на конечном этапе своего развития могут образовываться различные постзвезды. Если масса меньше солнечной, то звезда превращается в электронную постзвезду - "белый карлик". Ее размеры равны примерно размерам Земли, а плотность вещества достигает порядка десяти тонн в кубическом сантиметре. При массе более 1,2, но меньше 2 солнечных образуется нейтронная постзвезда, которую обычно называют нейтронной звездой. Ее размеры несколько десятков километров, а плотность равна плотности ядерного вещества, т. е. достигает сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре. При массе более 2 солнечных возникает черная дыра, которая представляет один из самых удивительных объектов во Вселенной.

В астрономической науке, переживающей период бурного развития, появляются все более удивительные отрасли, основывающиеся на последних достижениях современной науки и техники: радио- и гамма-, рентгеновская и нейтринная астрономия. Благодаря этим новым наукам сделаны открытия необыкновенных космических объектов: пульсары и рентгеновские "звезды", реликтовое излучение и космические мазеры, квазары и мощные всплески космического гамма-излучения. Создается впечатление, что в научном познании действует некий "закон" удивления: чем дальше развивается наука, тем более удивительные для человеческого воображения делаются открытия. Казалось бы, что после обнаружения квазаров - загадочных космических объектов, излучающих огромное количество энергии, и нейтронных звезд, которые подобны грандиозным ядерным каплям, трудно будет удивиться какому-либо новому открытию в астрономии.

Предполагаемое открытие черных дыр вновь взволновало научную общественность и побудило известного физика-теоретика К. Торна написать следующие красочные 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. Возможно только наша Галактика содержит миллионы их".

Описать свойства черных дыр можно только с помощью современной теории тяготения - общей теории относительности (ее иначе называют релятивистской теорией гравитации). С черными дырами связывают множество открытых в последнее время загадочных космических объектов. Все это и вывело общую теорию относительности на передовые рубежи познания Вселенной. Из приложения общей теории относительности к описанию различных космических объектов возникла новая астрономическая наука - релятивистская астрофизика.

Черные дыры известны в науке и под другими названиями: "застывшая звезда", "гравитационная могила", коллапсар, флуктуар, отон; они отражают различные свойства, особенности этих объектов. Термин "застывшая звезда" означает, что для удаленного наблюдателя процессы на ней настолько сильно замедляются, что они практически как бы "застывают". Название "гравитационная могила" говорит о том, что космическая материя, оказавшаяся в черной дыре, выходит из активных процессов развития, как бы "умирает". В термине "коллапсар" нашел отражение процесс образования черных дыр, которые рождаются из вещества звезды или постзвезды путем катастрофического сжатия - релятивистского гравитационного коллапса. В термине "флуктуар" отражены опосредованные наблюдательные особенности черных дыр, проявляющих себя через апериодические колебания излучения. Термин "отоны", образованный от сокращения "ОТО" (общая теория относительности), обозначает более широкий класс объектов, в который, кроме черных дыр, входят так называемые белые и серые дыры.

Черные дыры - это не только экзотичные объекты далекого космоса, но и объекты, которые могут "подсказать" людям принципиально новые источники энергии. Так, при падении в черную дыру выделяется энергия на единицу массы вещества, имеющая величину на порядок большую, чем та энергия, которая выделяется в ядерных реакциях. Или другой пример, связанный с квантовыми эффектами испарения черных дыр. Этот эффект имеет значение для микро-черных дыр, обладающих мизерными размерами (порядка размеров элементарных частиц), но довольно ощутимой массой (порядка миллиардов тонн). На последних этапах подобного "испарения" микро-черных дыр оно носит буквально взрывной характер: так, черная дыра с массой порядка тысячи тонн выделяет за одну десятую секунды энергию, равную энергии взрыва миллиона мегатонных термоядерных бомб. И вся эта энергия выделяется в исчезающе малых пространственных областях, меньших объема элементарных частиц.

Это все пока лишь теоретические предсказания и невозможно конкретно говорить о практических путях использования энергии черных дыр. Однако следует вспомнить, что еще в первой трети нашего столетия для многих казалось невероятным использование ядерной энергии. А сейчас работают атомные электростанции, атомные ледоколы, атомные подводные лодки.

За четверть века космической эры совершилось много важных событий в освоении человечеством космического пространства: регулярно совершаются космические полеты, запущено около трех тысяч искусственных спутников Земли, в том числе примерно половина в Советском Союзе, в космосе побывало десять международных экипажей, причем все они были с участием советских космонавтов.

Космонавтика стала уже профессией более ста человек. Причем космонавты овладевают множеством специальностей, необходимых для космических экспериментов и наблюдений.

Всевозрастающую роль начинает играть космонавтика для практических нужд человечества - это и спутники связи, и спутники для изучения природных ресурсов Земли, метеорологические и навигационные спутники.

Многие искусственные спутники Земли используются прямо в интересах народного хозяйства. Так, спутники связи служат для передачи телевизионных программ, для телефонной и телеграфной связи на большие расстояния. С помощью метеорологических спутников на Землю регулярно передаются изображения облачного, снегового и ледового покрова, сведения о температуре земной поверхности и различных слоев атмосферы, что используется для составления прогнозов погоды, для предупреждения о надвигающихся стихийных бедствиях. Навигационные - точно определяют местонахождение морских кораблей в океане.

Велико значение искусственных спутников для изучения природных ресурсов Земли. Так, в области океанологии и рыболовства они используются для прогнозирования метеорологических условий, пригодных для рыболовства, ведут наблюдения за образованием и движением айсбергов, выявляют районы, богатые планктоном и обещающие хорошие уловы, занимаются обнаружением косяков рыбы и скоплений промысловых животных. Спутники также используются для поиска полезных ископаемых, в области охраны окружающей среды, биосферы, гидрологии, сельского и лесного хозяйства.

По совокупности своей деятельности человечество начинает уже проявлять себя как космический феномен. Все это ставит перед наукой сложные вопросы о жизни во Вселенной, о внеземных цивилизациях. Имеются ли еще среди бесконечных космических просторов островки жизни, подобные нашей земной биосфере? А быть может, жизнь в других мирах имеет радикально иную форму? Ищет ли кто-либо еще во Вселенной смысл этого грандиозного мироздания? Или, быть может, человечество безнадежно одиноко в этом огромном мире, а Земля является единственной обителью высшей формы материи - разума? Эти вопросы перестали быть чисто умозрительными: с привлечением ультрасовременной аппаратуры идет поиск внеземной жизни и разума. Но прежде чем пытаться понять возможность существования других форм жизни и внеземных цивилизаций, нужно разобраться в том, как возникла жизнь и человеческая цивилизация на нашей Земле.