Что же означает термин Вселенная. Попробуем дать понятие этому термину. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Этот термин приобрел специфически научное звучание.
Вполне понятно, почему постепенно происходит сужение научного значения термина Вселенная. Это связано с тем, что естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.
Еще с давних времен людей мучает вопрос: откуда и каким образом произошел мир. Во времена, когда в культуре господствовала мифология, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах» распадом первочеловека Пуруши. Также русскими апокрифами подтверждается то, что это общая мифологическая схема. Христианство уверяло людей, что мир сотворил Бог из ничего.
Вскоре на смену мифологическим и религиозным пониманиям с появлением науки научные представления о происхождении 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 «порядок», «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 законов его функционирования.
Целью изучения Вселенной как единого упорядоченного целого является открытие данных законов.
Определим предпосылки, на которых держится это учение.
Вопервых, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека.
Вовторых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной.
Втретьих, 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.
Если провести ряд экспериментов, и все они приводят к одному результату, тогда на основе этих экспериментов можно сделать вывод о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. И только после этого полученный результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.
Однако это методологическое правило к Вселенной остается неприменимым. Вселенная уникальна, а наука формулирует универсальные законы. Следует понимать, что все определения о развитии и происхождении Вселенной не законами. Их стоит относить к моделям, возможным вариантам объяснения.
Т.е. сделаем вывод: все законы и научные теории являются моделями. Эти модели могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями. Модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.
Модель расширяющейся Вселенной
В основе расширяющейся модели заключены два предположения:
• более полное описание гравитационного поля является уравнение Эйнштейна. Т.е. можно определить тем самым так называемую кривизну пространства и связь кривизны с плотностью массы. Основанная на этих постулатах космология является релятивистской.
• свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность).
При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какоголибо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается.
Кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем гдето примерно 12 18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства. Взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы».
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.
Современная квантовая механика допускает (а не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
• принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;
• экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что ни под чем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне какихлибо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространствавремени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.
Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но, тем не менее, она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании, в конечном счете, критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы — состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?
Эволюция и строение галактик
Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают — значит — это комунибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной — водорода.
Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.
Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.
Если «зажигание» звезд комуто нужно, то может и человек комуто нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной — значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, не отрываясь от реальности нашего бытия.
Вопрос об образовании и строении галактик — следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной — едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) — область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик — миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры —100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) — «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.
А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик, и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.
Астрономия и космонавтика
Астрономия — это наука о строении и развитии космических тел и их систем. В переводе с греческого «астрон» — звезда и «номос» — закон.
В связи с бурным развитием техники наблюдений, т.е. основного своего метода исследований астрономия переживает в XX веке свою вторую молодость. Появилось новое современное оборудование для проведения исследований в данной науки такие, как, например, телескопрефлектор, приемник излучения (антенн) и т. п.
В Ставропольском крае в 1974 году стали использовать уже новый рефлектор с диаметром зеркала 6 м. Этот рефлектор способен собирать свет в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.
Астрофизика — это часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. Астрофизика в настоящее время занимает особое значение.
Астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Этим главным свойством она и отличается от физики.
Несмотря на усовершенствование оборудования, во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах, отличается от доступных современным лабораториям.
Астрофизические исследования, пользуясь новшествами, приводят к открытию новых физических закономерностей.
Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины. В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гаммалучи.
Спектральный анализ является один из основных методов астрофизики. Например, пропустим луч белого солнечного света через узкую щель, после чего пропустим еще сквозь стеклянную трехгранную призму. Вследствие чего можно определить, что он распадается на составляющие цвета. В результате на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому, т.е. непрерывный спектр.
Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый — наиболее отклоняемыми.
Ультрафиолетовые, рентгеновские и гаммалучи, коротковолновые излучения. Они не проходят сквозь атмосферу Земли. Поэтому в таких случаях астрономам приходит на помощь наука, которая до недавнего времени рассматривалась как техническая, т.е. космонавтика.
Космонавтика обеспечивает освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.
Эта наука занимается исследованиями таких проблем, как теория космических полетов (расчеты траекторий), медикобиологические (создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.), научнотехнические (конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.).
Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.
Существенному прогрессу в области астрофизики способствует возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли.
Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году. Начинается история космонавтики с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, основоположником которых является К. Э. Циолковский.
Запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года стал главным событием в истории космонавтики. 12 апреля 1961 года был произведен первый полет человека в космос.
В 1969 году была произведена лунная экспедиция. Впоследствии были созданы орбитальные пилотируемые станции на околоземной орбите. Также был произведен запуск космического корабля многоразового использования.
В 1995 году осуществлен совместный проект «Мир» — «Шаттл». В этом проекте американские корабли «Шаттл» были задействованы для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир». Таким образом, следует отметить, что работы велись параллельно в СССР и США.
Библиографический список
1. Краткий миг торжества. М., 1989.
2. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.
3. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.