Естественные науки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Естественные науки



Содержание

1. Естественные науки - важнейший источник и метод получения знания об окружающем нас мире

1.1 Системная классификация естественных наук

1.2 Вселенная и пространство

1.3 Пространство и его метрика

2. Необычные объекты Вселенной: Черные дыры

3. Распространение и поиски жизни во Вселенной

Список литературы



1. Естественные науки - важнейший источник и метод получения знания об окружающем нас мире

Естествознание представляет собой сферу человеческой деятельности, направленную на получение новой информации об окружающем мире, живущем по объективным, независящим от человека законам. В противоположность естественным наукам, объектом изучения гуманитарных наук является сама человеческая деятельность, как субъективный процесс. Тем не менее, этот субъективный процесс изучается объективными методами. Именно последнее обстоятельство позволяет считать гуманитарные науки именно науками, а не искусством. Если целью естественонаучной деятельности человека является познать мир таким, каков он есть на самом деле, то цель деятельности человека в сфере искусства - показать, как мир субъективно воспринимается человеком.

Современное естествознание нельзя представлять как некий архив, где просто накоплено "разложено по пололчкам" огромное количество фактов и разнообразных сведений об устройстве окружающего мира. Естествознание сопоставляет факты, наблюдения и стремится создать его МОДЕЛЬ, в которой эти факты собраны в единую, НЕПРОТИВОРЕЧИВУЮ систему на основе теоретических понятий, положений и обощений. Естествознание также стремится расширять и уточнять создаваемую картину мира, используя эту модель дая планироания и выполнения новых наблюдений и экспериментов.

Приведен некоторые отличительные черты (требования) научной методологии в области естествознания:

прогностичность - обобщенные в виде теории научные понятия, модели должны предсказывать поведение объектов окружающего мира, наблюдаемое в эксперименте или непосредственно в окружающей среде

воспроизводимость - научные эксперименты должны выполняться таким образом, чтобы они могли быть воспроизведены другими исследователями и в других лабораториях

минимальная достаточность - в процессе описания научных данных нельзя создавать понятия, сверх тех, которые необходимы (т.н. принцип "бритвы Оккама")

объективность - при построение научной теории, гипотезы недопустимо избирательно учитывать только избранные (отбрасывая другие данные) факты и наблюдения, в зависимости от личных наклонностей, интересов, привязанностей и уровня подготовки ученого.

переемственность - научная работа должна максимально учитывать и ссылаться на предисторию изучаемого вопроса

Естественные науки - это не только получение новой информации, но и получение информации о том, как получать новую информацию. Являясь одновременно целью и средством человеческой деятельности, естествознание представляет собой саморазвивающийся и самоускоряющийся процесс.

1.1 Системная классификация естественных наук

Традиционно к естественным относят такие науки, как физика, химия, биология, геология, география, а также другие дисциплины.

Насколько объективна такая классификация, где и по какому принципу должны проводиться границы между разными науками, можно ли те или иные разделы естествознания выделять в отдельные науки? Очевидно, что для ответа на этот вопрос необходима естественная классификация иерархии научного знания, которая не зависела бы от традиций и была бы объективной. Другими словами, необходим объективный критерий выделения той или иной области знаний в отдельную науку.

К такой классификации можно отнести системную классификацию наук - не только естественных. В ее основе лежит следующий принцип: объектом каждой науки должна служить целостная, обособленная система.

Остановимся более подробно на понятии "система".

Под системой обычно понимают совокупность взаимодействующих элементов, каждый из которых необходим для выполнения этой системой своих специфических функций. Как мы видим, определение системы состоит здесь из двух частей, причем вторая часть, касающаяся системных элементов, является нетривиальной и неочевидной. Из этого определения следует, что не любая составная часть системы представляет собой системный элемент. Так, например, сигнальная лампочка на передней панели компьютера не будет являться его системным элементом, поскольку удаление лампочки или выход из строя не вызовет сбой выполнения программных задач, тогда как процессор, очевидно, таковым элементом является.

Из приведенного нами определения следует, что число системных элементов в системе всегда конечно, а сами они дискретны и их выбор не случаен. Отдельные элементы и их свойства при объединении в систему всегда рождают новое качество, системную функцию, не сводимую к качеству и функциям составляющих ее элементов.

Системы бывают естественные и искусственные, объективные и субъективные. К естественным наукам относят науки, имеющие в качестве объекта своего изучения естественные системы, которые всегда объективны. Субъективные системы представляют собой объекты изучения гуманитарных наук. Отметим, что некоторые системы, например, информационные, могут одновременно являться искусственными и в тоже время объективными. Еще один пример: компьютер, как целостная информационная система, традиционно подлежит изучению в рамках науки информатики. С точки зрения системной классификации более точным было бы выделение в качестве самостоятельной науки не информатики вообще, а компьютерной информатики, поскольку информационные системы могут быть самыми разными.

Системные элементы сами тоже являются системами; можно сказать, что системы разных порядков вложены друг в друга, как матрешки.

Например, философия имеет в качестве объекта для своего изучения предельно общую систему, состоящую всего из двух элементов - материи и сознания. Если говорить о наиболее крупной из известных нам систем, то таковой является Вселенная, изучаемая как целостный объект наукой космологией.

Системами самого низшего порядка, из известных современной науке, принято считать элементарные частицы. Мы еще мало что знаем о внутреннем строении элементарных частиц, даже если принимать во внимание гипотезу о существовании кварков, которые пока в свободном виде не получены. Тем не менее, к системным элементам, составляющим элементарные частицы, вполне можно отнести не только кварки, но и их свойства (качества) - заряд, массу, спин и другие характеристики.

Наука, изучающая элементарные частицы как целостные, обособленные системы, называется физикой элементарных частиц.

Элементарные частицы являются элементами систем более высокого порядка - атомных ядер, и еще более высокого - атомов. Соответственно выделяется ядерная и атомная физика.

В свою очередь, атомы объединяются в молекулы. Наука, имеющая в качестве объекта своего изучения молекулы, называется химией. Как тут не вспомнить известное определение: молекулами называют мельчайшие частицы вещества, которые еще сохраняют химические свойства этого вещества!

Будем дальше двигаться по иерархической лестнице естественных наук. В живых организмах молекулы участвуют в сложных взаимодействиях - это длинные последовательности и циклы реакций, катализируемые ферментами. Существуют, например, т.н. гликолитический путь, цикл

Размеры окружающих нас объектов и систем

Кребса, цикл Кальвина, пути синтеза аминокислот, нуклеиноых кислот и многие другие. Все они представляют собой сложные, целостные самоорганизующиеся системы, получившие название биохимических. Соответственно, наука, их изучающая, названа биохимией.

Биохимические процессы и сложные молекулярные структуры объединяются в еще более сложные образования - живые клетки, изучаемые цитологией. Клетки образуют ткани, изучаемые, как целостные системы, другой наукой - гистологией

Следующий уровень иерархии относится к обособленным живым комплексам, образованным тканями - органам. В комплексе биологических дисциплин не принято выделять науку, которую можно было бы назвать "органологией", однако в медицине известны такие науки, как кардиология (изучает сердце и сердечно-сосудистую систему), пульмонология (легкие), урология (органы мочеполовой системы) и др.

И, наконец, мы приблизились к науке, которая в качестве объекта своего изучения имеет живой организм, как целостную, обособленную систему (особь). Это наукой является физиология. Различают физиологию человека, животных, растений и микроорганизмов.

Системная классификация естественных наук представляет собой не просто некое абстрактно-логическое построение, а является вполне прагматическим подходом для решения организационных задач.

Представьте себе следующую ситуацию. В научный совет по защите диссертаций на соискание степени кандидата биологических наук приходят два соискателя. Первый исследовал процесс дыхания у крыс, подвергшихся действию высоких физических нагрузок. Он изучал содержание отдельных метаболитов цикла Кребса, особенности функционирования компонен-тов цепи переноса электронов в митохондриях и другие биохимические особенности процесса дыхания крыс, которых вынуждали к высокой физической активности.

Другой соискатель изучал в основном все то же самое, теми же методами, но его интересовало не воздействие физических нагрузок на дыхание, а сам процесс дыхания, как таковой, вне зависимости от физической нагрузки или даже от того, какой организм исследовался.

Первому соискателю сообщают, что его работа относится к физиологии и поэтому принимается к рассмотрению в данном совете со специализацией "физиология человека и животных", а другому отказывают, сославшись на несоответствие специализации работы ("биохимия") со специализацией совета.

Как же так случилось, что очень похожие работы оказались отнесены к разным наукам? В первом случае - физическая деятельность - это функция живого организма, как целостной системы, и поэтому работа относится к физиологии. Во втором - объектом изучения является не организм в целом, а отдельная биохимическая система.

Вернадский В.И. (1863-1945)

Дальнейшее восхождение по иерархической лестнице естественных наук подводит нас к интересной узловой точке. Живые организмы (особи), как системные элементы, могут входить в разные системы более высокого порядка. Система, состоящая только из двух элементов - особи (или популяции особей) и окружающей среды (биотической и абиотической ее части), рассматривается в экологии. Систему, состоящую из особей разных видов (или популяций разных видов) изучает наука биоценология. Соответственно предмет (система) изучения этой науки может включать в себя многие системные элементы. Совокупность взаимодействующих популяций разных видов, занимающих одну и ту же территорию, называют биоценозами. Интересно, что биоценозы не являются случайной совокупностью популяций. Они представляют собой сложные, самоорганизующиеся системы, имеющие некоторые черты живых организмов. Как и особи, биоценозы рождаются, развиваются (т.н. сукцессия), стареют и умирают. Они дискретны: между разными биоценозами очень часто можно наблюдать явно выраженную границу, тогда как промежуточные формы отсутствуют, либо неустойчивы. Биоценозы обычно называют по доминирующему растительному виду - если это, например, дуб, то биоценоз называется дубравой, если это ковыль, то он будет иметь название "ковыльная степь".

Системой более высокого порядка, чем биоценоз, является биосфера Земли. В русском языке, однако, слово "биосферология" отсутсвует; вместо него пользуются термином "учение о биосфере". Приоритет создания этой науки принадлежит выдающемуся российскому ученому, академику В. И. Вернадскому (1863-1945), который впервые обратил внимание на то, что биосфера - это не просто сумма всех биоценозов Земли, а сложный, самоорганизующийся объект, качественно отличающийся от любых других известных систем.

В свою очередь, биосфера является лишь одним из системных элементов нашей планеты. К сожалению, наука, которая описывала бы поведение Земли как целостной, самоорганизующейся системы, отсутствует по объективным причинам. Современным естествознанием накоплено слишком мало сведений о том, как взаимодействуют между собой различные планетарные оболочки и уровни организации - биосфера, литосфера, гидросфера, мантия, ядро и др.

Традиционно не принято выделять в отдельную науку наши знания о формировании, строении и процессах, определяющих поведение Солнечной системы как единого целого. Объективно, однако, такая область знаний существует и рассматривается в рамках комплекса астрономических дисциплин. Это же самое касается и нашей галактики.

И, наконец, самая крупная из известных нам естественных систем - это Вселенная, которую, как мы уже говорили, изучает наука космология.

Итак, мы рассмотрели целую вереницу естественных наук и соответствующих им систем. Но где же среди них привычные нам биология и физика? По видимому, в рамках объективной, системной классификации мы не можем называть ни одну, ни другую дисциплину науками. Не существует отдельной обособленной системы (или хотя бы класса систем), в отношении которой можно было бы сформулировать задачу физики (или биологии) как науки, изучающей эту систему: принцип "одна наука - одна система" перестает работать. Биология и физика распадаются на множество других наук. Тем не менее, традиционная, субъективная, классификация тоже имеет полное право на существование: она удобна и еще долго будет использоваться в естествознании.

При всем многообразии систем - больших и маленьких, естественных и искусственных, объективных и субъективных существуют некоторые их характеристики, свойственные всем системам вообще. Они так и называются - общесистемные. Существует также наука, изучающая их - системология. Достижения системологии помогают ученым, работающим в других областях знаний, строить гипотезы и делать правильные научные выводы. Например, среди исследователей геронтологов (геронтология - наука о старении) иногда встречается точка зрения, что старение животных и человека определяется неким геном старения, повредив который, можно обеспечить неограниченно длительную молодость. Однако, выводы системологии говорят нам о другом. Стареют все сложные саморазвивающиеся системы, ограниченные в пространственном росте, поэтому причины старения человека и животных лежат гораздо глубже. В то же время общие выводы системологии имеют лишь методическое значение. Ими нельзя подменять конкретные знания. В рассматриваемом случае вполне можно допустить, что некоторые гены действительно могут ускорять старение, но удалив эти гены, или устранив какие-то другие, конкретные причины старения, мы должны понимать, что столкнемся с другими причинами и сможем лишь отодвинуть старость.



1.2 Вселенная и пространство

Важнейшее научное открытие физики 20 века состоит в том, что окружающий физический мир, пространство в котором мы живем - наша Вселенная существовала не всегда. В современной науке трудно найти более интересную, захватывающую задачу, чем попытка объяснить, почему Вселенная устроена именно такой, какая она есть. За последние годы в этом направлении достигнуты определенные успехи. Их можно считать только небольшим первым шагом, однако именно благодаря этому шагу человечество заявило о попытке создать универсальную физическую концепцию всего наблюдаемого нами мира, которую можно было бы назвать научной теорией всего сущего. Без такой теории невозможно говорить о том, как устроена Вселенная, совершить качественный скачок в понимании окружающей Реальности и месте Человека в ней.

Первые научные результаты, резко изменившие наши представления о мироздании, были получены в конце IX - начале XX вв.; к ним в первую очередь можно отнести создание больших телескопов и изобретение спектроскопа. Обнаружилось, что наблюдаемый на ночном небе Млечный Путь представляет собой "островную Вселенную", состоящую из отдельных звезд, часть из которых похожа на наше Солнце. Сейчас нам может показаться странным, что вплоть до начала прошлого века среди ученых продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в абсолютной пустоте, или за ее пределами существуют другие "островные миры". Отдельные астрономы считали возможным, отправившись очень далеко в космос, охватить оттуда взглядом все звезды мира, сосредоточенные в одной области, окруженной со всех сторон бескрайней пустотой.

Современную картину Вселенной удалось установить только в 20-х годах XX-го века, благодаря работам американских астрономов Харшоу Шепли и Эдвина Хабла. Было обнаружено, что так называемые туманности, наблюдаемые астрономами как небольшие расплывчатые пятна, в действительности представляют собой другие галактики, расположенные на таких расстояниях между собой (и от нашей галактики - Млечного Пути), которые многократно превышают размеры самих галактик.

Исторически более сложным оказался вопрос о границах Вселенной. Еще римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до "края света", метнет копье. Наткнется ли оно на преграду? Впоследствии было создано несколько моделей вселенных. Некоторые из них давали положительный ответ на вопрос Лукреция и подразумевали существование некой границы Вселенной - своего рода стены или непроницаемой поверхности. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т.е. до XVI в.

В настоящее время нет никаких оснований полагать, что, путешествуя в открытом космосе со скоростью света, двигаясь строго прямолинейно, мы могли бы упереться в некий барьер, который можно было бы назвать границей Вселенной. Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя считать скоплением галактик, распределенных в пространстве.

И все же размеры Вселенной конечны, хотя она сама границ не имеет. Это утверждение не будет казаться слишком парадоксальным, если мы вспомним свойства шара. Двигаясь по поверхности Земли строго прямолинейно, в каком бы направлении мы не начали свой путь, мы никогда не столкнемся с барьером, который можно было бы назвать границей Земли. Однако, совершив кругосветное путешествие, мы можем вернуться в ту же точку, из которой начали путь

Многие астрофизики считают, аналогичное возможно и в результате прямолинейного путешествия по Вселенной; через многие миллиарды лет путешественник смог бы вернуться в исходную точку!

По словам известного британского ученого Пола Дэвиса, если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех, а крупномасштабная структура Вселенной даже в самых отдаленных от нас местах мало чем отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В местном масштабе вопрос о нашем местоположении не лишен смысла, поскольку мы можем достаточно точно определить свое положение относительно какого либо конкретного объекта, например Солнца или центра Галактики. Однако, в пределах Вселенной как целого не существует выделенной точки, относительно которой можно было бы отсчитывать положение объектов. Приведем еще одну аналогию: бессмысленно спрашивать, где на поверхности абсолютно гладкого шара находится царапина!

Кругосветное путешествие вокруг Земли с возвратом в исходную точку стало возможным по следующей причине. Плоскость, в которой мы можем передвигаться (двумерная по координатам X и Y поверхность Земли) искривлена относительно третьей координаты - Z. Поэтому наша Земля, как и всякий шар, является трехмерным объектом.

Точно также трехмерное пространство Вселенной (метагалактики), в котором мы живем, искривлено относительно четвертой координаты.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) четвертой координатой является физическое время. В самом деле: время можно было бы измерять в метрах.



А. Эйнштейн

Один метр времени - это время, за которое свет преодолевает расстояние в один метр. Представьте себе, что в одной и той же точке пространства взрывается сначала одна хлопушка - происходит событие А; затем, скажем, через миллион световых метров - другая - событие Б. В трехмерном пространстве точка А совпадает с точкой Б. Но в четырехмерном пространстве между этими точками есть расстояние!

Нам очень сложно представить себе четырехмерное пространство, поскольку наш жизненный опыт подсказывает нам, что к одной и той же точки можно провести не более трех независимых перпендикуляров (т.е. взаимно перпендикулярных кривых) - поэтому мы считаем, что пространство имеет только три координаты - X, Y и Z. Тем не менее, математики с одинаковым успехом могут оперировать не только трех-, четырехмерным пространством, но и многомерным (n-мерным) пространством, число измерений которого равно произвольной целочисленной переменной - n.

Гравитационное поле звезды, образуя искривленное трехмерное пространство, отклоняет луч света, поступающий от звезды.

Согласно ОТО, четвертая координата - время искривляется вблизи массивных объектов. Представьте себе хорошо натянутый лист резины - это неискривленное двумерное пространство. Но стоит только опустить на его поверхность стальной шарик, как появляется воронкообразный прогиб - теперь двумерная поверхность нашего резинового листа искривлена относительно третьей координаты. Если мы поместим близко друг от друга на поверхность резинового листа два шарика, они начнут скатываться друг к другу. Не правда ли, очень похоже на притяжение? По этой же причине, луч света, проходящий вблизи массивного тела, должен изменять свою траекторию, как бы притягиваясь к телу ( см. рисунок)

Точно также, вблизи нашего шарика, как и любого другого объекта, обладающего массой, происходит искривление трехмерного пространства относительно координаты времени. Аналогично нашему примеру с листом резины, близко расположенные в трехмерном пространстве массивные объекты притягиваются друг к другу, и мы воспринимаем это притяжение как силу гравитации.

По чисто геометрическим соображениям из этого следует, что вблизи массивных объектов время замедлено. Экспериментально можно обнаружить это действительно так! Однако, справедливости ради заметим, что современная наука не обладает возможностью обнаружить и измерить замедление времени вблизи объекта массой несколько килограмм или даже тонн. Но другое дело, объект такой массы, как наша планета. Экспериментально показано, что очень точные часы, находящиеся на орбите искусственного спутника Земли, будут на несколько миллисекунд в год отставать от точно таких же часов, но расположенных на поверхности Земли. В другом разделе нашего учебника, посвященном Черным Дырам, мы обсудим возможность существования настолько массивных объектов, что время в их окрестностях не просто замедлено - оно стоит!

Результаты экспериментов по измерению замедления времени в зависимости от расстояния до поверхности Земли первоначально были предсказаны Альбертом Эйнштейном и послужили, таким образом, одним из блестящих доказательств ОТО.

Мы должны четко понимать, что предположение о роли физического времени, как четвертой пространственной координаты, было высказано Эйнштейном не красоты ради, не просто потому, что ему этого так хотелось, а постольку, поскольку тогда, как и сейчас, не существует никаких других способов непротиворечиво объяснить силы гравитации.

По-видимому, наша Вселенная является настолько массивным объектом, что ее трехмерное пространство, в котором мы живем, не просто искривлено, а замкнуто. Уверенность в таком выводе астрофизикам придают расчеты, проведенные с учетом основных постулатов ОТО и оценок массы Вселенной 1050 тонн и ее размеров - 12-15 млрд. световых лет.

Итак, мы выяснили, что наше трехмерное пространство в обыденном понимании не имеет начала и конца. Очевидно, что не имеют начала и конца привычные нам координаты X, Y и Z. А как обстоит дело с координатой t физическим временем? Если нельзя задать вопрос "Где?", то можно ли задать вопрос "Когда?" и ответить на него?

В истории человечества нам известны многочисленные попытки сделать какие либо выводы о длительности существования Вселенной. В условиях почти полного отсутствия экспериментальной науки мыслители древности допускали, что получить ответ на этот вопрос можно только путем логических умозаключений и философских рассуждений. Так, Платон считал, что мир, поскольку он сотворен Богом, является совершенным и поэтому он неизменен в своих основных чертах. Более того, если Бог существует бесконечно долго, то и мир он мог создать бесконечно давно. Здесь, правда, недолго и зайти в тупик: существует также и диаметрально противоположная точка зрения, согласно которой, если допустить что мир существует бесконечно долго, то в нем не мог не возникнуть Бог, как самодостаточная сущность, что тоже было бесконечно давно.

Присутствие в естественнонаучной картине мира идеи о существовании Бога отнюдь не предопределяет вывод о бесконечности Вселенной. Другая традиционная точка зрения основана на концепции сотворенного мира, имеющего возраст и непрерывно претерпевающего качественные изменения. В момент творения мир был совершенен, однако и другие, отличные от начальной, более поздние фазы его существования тоже совершенны, поскольку Бог сотворил не застывшую Реальность, а совершенный процесс.

К первой, по-настоящему обоснованной научной версия о эволюции Вселенной как единого целого можно, пожалуй, отнести теорию советского физика и математика А.А. Фридмана, который математически показал возможность существования многомерного пространства (Вселенной) с изменяющейся во времени кривизной.

А.А. Фридман

Позднее идея о изменении свойств Вселенной во времени была подтверждена астрономическими наблюдениями американца Э. Хаббла, проведенными в 20-х годах XX века. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, он выявил неожиданную вещь. Дело том, что звезды, такие как наше Солнце и звезды в других галактиках, на фоне своих непрерывных спектров излучения обнаруживают тонкие темные полосы это так называемы линейчатый спектр поглощения. Его существование обусловлено присутствием в составе оболочек звезд атомов легких элементов. Химический состав многих звезд не сильно отличается, поэтому не сильно отличаются и линейчатые спектры. Однако, наблюдая очень удаленные галактики, Хаббл обнаружил, что их спектральные линии немного смещены в красную сторону спектра. Из своего наблюдения Хаббл сделал единственно возможный в то время вывод: спектры далеких галактик смещены вследствие эффекта Доплера.

Напомним: эффект Доплера проявляется в том, что если источник волн (все равно каких - звуковых, электромагнитных, или волн на поверхности воды) и наблюдатель сближаются друг с другом, то наблюдатель будет воспринимать излучение с меньшей длиной волны, чем если бы они не двигались относительно друг друга. И наоборот: при удалении с той или иной скоростью друг от друга наблюдатель заметит увеличение длины волны. Для электромагнитных волн видимого диапазона такое увеличение означает сдвиг спектра в "красную" сторону.

Итак, если спектры далеких галактик смещены в сторону более длинных волн (т.н. красное смещение), то они с большой скоростью удаляются от нас, и чем дальше они от нас находятся, тем скорость удаления и красное смещение больше!

И все же разбегание галактик очень трудно представить себе наглядно. Трудно удержаться от искушения представить себе процесс разбегания как последствие взрыва сгустка вещества, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме.

Однако, очень многие данные говорят, что на самом деле картина гораздо сложнее: расширяется само пространство. Это значит, что увеличиваются расстояния между галактиками, сами галактики, и может быть, расстояния между атомами.

Не существует точки, про которую можно было бы сказать, что центр расширяющейся Вселенной. Представим себе надувающийся воздушный шарик. Если две точки на его поверхности расположены близко друг от друга, то скорость их удаления друг от друга будет невелика. Если далеко - то скорость удаления (разбегания) будет больше. Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Взаимное удаление точек происходит вследствие расширения самой поверхности. Таким образом, наблюдаемое нами разбегание галактик вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной.

Наш пример с шариком - это пример расширения двумерного пространства. Расширение Вселенной - это расширение трехмерного пространства.

Но, если Вселенная расширяется и мы знаем с какой скоростью это происходит (оценка по величине красного смещения), а также знаем расстояние до галактик, то мы можем рассчитать, когда расширение началось. Расчеты дают цифру 15 млрд. лет - эту величину мы принимаем за возраст Вселенной, существованию которой положил некий сгусток материи необычайно высокой плотности, называемый точкой сингулярности. В этом заключается смысл т.н. теории Большого взрыва, в соответствии с которой наша Вселенная возникла в результате гигантского взрыва, а наблюдаемое разбегание галактик - является последствием такого взрыва.

Вещество в точке сингулярности должно было находится при очень высокой температуре. Атомы, элементарные частицы и даже кванты электромагнитного излучения в таких условиях существовать не могли. Важным подтверждением этого предположения явилось обнаружение в 1965 г необычного излучения, идущего из космического пространства сразу со всех направлений (изотропного излучения). Астрофизики установили, что оно представляет собой реликтовое тепловое излучение - последствие гигантской вспышки, произошедшей 15 млрд. лет назад.

Перед современной наукой по-прежнему остается открытым вопрос - что находится за пределами нашей Вселенной? Безусловно, Большой взрыв - это событие, в котором возникло наше пространство. Поэтому, с точки зрения наблюдателя, обладающего "трехмерным" зрением и находящегося внутри нашей Вселенной другого пространства не существует. Некоторые исследователи делают из этого вывод, что другого пространства не существует вообще, Вселенная возникла буквально из ничего и является единственным объектом, который можно отнести к объективной реальности. Такая точка зрения достаточно близка к библейской.

Другие специалисты настаивают на возможности наблюдения Вселенной со стороны. Предполагается, что Вселенных, похожих на нашу, существует бесконечное количество. Наблюдатель, обладающий четырехмерным зрением, мог бы увидеть множество Вселенных, расположенных на различном расстоянии друг от друга, а некоторые из них, возможно, оказались бы вложены друг в друга. Подобного рода модель окружающей объективной реальности получила название вселенской пены.

Теория Большого взрыва является наиболее популярной среди ученых теорией, но не единственной.

В 70-е гг. XX в. советским ученым, чл.-корр. АН СССР Троицким была создана теория строения Вселенной, получившая название теории гравитационного старения фотона. Она основана на том, что кванты электромагнитного излучения, направляясь к нам от удаленных галактик, двигаются не в абсолютном вакууме, а в среде, плотность которой хоть и немного, но отличается от нуля. Даже в пространстве между галактиками обнаруживается разреженный газ и различные излучения. Поскольку кванты все же имеют незначительную массу, они могут взаимодействовать со средой и при этом отдавать часть своей энергии. Однако энергия кванта обратно пропорциональна длине его волны. Следовательно, кванты, проходя гигантские расстояния, должны увеличивать свои длины волн. Это и воспринимается нами в качестве красного смещения.

Расчеты, проведенные Троицким, показали, что известной плотности нашей Вселенной вполне достаточно, чтобы полностью объяснить явление красного смещения. Отсюда вытекает: Вселенная существовала вечно, или, по крайней мере, в тысячи раз больший срок, чем 15 млрд. лет. А вот размеры Вселенной, по Троицкому, будут меньше - около 5 млрд. световых лет.

Астрофизиков волнует не только прошлое Вселенной, но и ее будущее. Здесь существуют две принципиальные возможности: либо Вселенная будет расширяться бесконечно долго, либо расширение через несколько миллиардов лет сменится сжатием, будет пройдена точка сингулярности, снова произойдет Большой взрыв и такие циклы будут повторятся неоднократно. Последний сценарий получил название пульсирующей Вселенной. Выбор между первым или вторым вариантом зависит от оценки массы и плотности Вселенной. Если плотность Вселенной окажется выше некоторого критического значения, то рано или поздно в ней возобладают гравитационные силы притяжения, расширение сменится сжатием. В противоположном случае расширение не остановится никогда. Нам приблизительно известна величина плотности Вселенной, но беда в том, что она довольно близко совпадает с расчетным критическим значением. В такой ситуации даже небольшая ошибка в оценке плотности может дать принципиальную ошибку нашего глобального прогноза.

Проблема усугубляется тем, что в последнее время астрофизики все чаше говорят о существовании в космосе т.н. "темной энергии". Название темной эта энергия получила постольку, поскольку совершенно непонятно, что является ее материальным субстратом. Предполагается, что она равномерно заполняет Вселенную и приводит к отталкиванию находящихся в ней массивных тел.

Впервые вопрос о темной энергии возник в связи с обнаруженными отклонениями траекторий американских космических кораблей, покинувших нашу Солнечную систему - "Пионера" и "Вояджера". Если предположение о существовании темной энергии подтвердится, то нашу Вселенную ждет вечное расширение.

1.3 Пространство и его метрика

Современный взгляд на структуру Вселенной, очень кратко изложенный нами в предыдущей главе, представляет собой удивительную концепцию. Ученым пришлось предположить то, что они не могут себе вообразить. Как мы уже говорили, без идеи четырехмерного пространства невозможно объяснить гравитацию и строение Вселенной. Однако, рассуждения о четвертом измерении - провокационная вещь. Если есть измерение, которое мы не можем себе представить, то где гарантия, что, помимо известных нам трех, оно только одно?

Возможно, мысли о пятом, шестом и т.п. измерениях так и остались бы в поле философских или чисто математических рассуждений, но потребности развития конкретных разделов современной теоретической и экспериментальной физики, необходимость создания единой физической картины мира заставили вернуться к многомерным представлениям..

Еще Эйнштейн мечтал о создании единой теории поля, в которой все силы природы можно было бы объяснить на основе только одних геометрических позиций. После создания ОТО, решению этой задачи он посвятил всю свою оставшуюся жизнь. И все же, по-видимому, основу нового подхода к объединению физики заложил не Эйнштейн, а молодой и малоизвестный в то время (20-е годы XX в.) Немецкий физик Теодор Калуца. Он поставил своей целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую формулировку теории поля.Т. Калуца предположил, что электромагнитные взаимодействия представляют собой своего рода "гравитацию" в ненаблюдаемых измерениях пространства. Согласно его гипотезе, существует еще одно дополнительное пространственное измерение, и, таким образом, общее число пространственных измерений равно пяти. Если гравитация - это искривление трехмерного пространство относительно четвертой координаты, то электромагнитные взаимодействия обусловлены искривлением теперь уже четырехмерного пространства относительно пятой координаты. Отсюда электромагнитная волна есть ни что иное, как пульсация пятого измерения.

Теория Калуцы дала возможность не только объединить гравитацию и электромагнетизм, но и создала предпосылку для геометрической интерпретации других сил в природе: к ним, как известно, относится еще слабое и сильное взаимодействия, проявляющие себя в микромире.

Однако, еще до появления теории Т.Калуцы, в 1917 г, Пауль Эренфест обратил внимание на широкое распространение в физике закона "обратных квадратов". Этому закону следуют гравитационные, электрические и магнитные силы, величины которых обратно пропорциональны квадрату расстояния. Уравнения, описывающие гравитационные и электромагнитные взаимодействия легко расширить на случай многомерных пространств, с n измерениями. Если в нашем обычном трехмерном пространстве справедлив закон обратных квадратов, то в четырехмерном - закон обратных кубов, в пятимерном силы будут убывать уже пропорционально четвертой степени и т.д. Элементарные расчеты показывают, что если бы в нашем мире существовал закон "обратных кубов", планеты солнечной системы довольно быстро упали бы на Солнце.

Из всего этого Эренферст сделал вывод о невозможности существования в нашем мире числа измерений большего, чем три. На запрет Эренферста и в наше время ссылаются многие физики, когда речь идет о существовании дополнительных "полноценных" измерений.

Другие физики обращают внимание на то, что четырехмерное пространство-время по Эйнштейну все же является не абстрактным математическим приемом, а объективной реальностью, и тем не менее в нашем мире господствует закон обратных квадратов.

Однако, как можно говорить о каком-то дополнительном измерении, которое не воспринимается нами? Для этого давайте вернемся к вопросу о том, что же такое размерность пространства.

Как мы уже выше отмечали, мы считаем пространство трехмерным, потому что к одной и той же точке можно провести не более трех независимых перпендикуляров. Но, такое утверждение не является результатом каких-либо математических доказательств, оно вытекает только из нашего субъективного опыта.

Возникает парадокс, который можно назвать пространственным парадоксом.

О. Кляйн

Для его решения в 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предложил весьма остроумное решение, объясняющее, куда же "девалось" пятое измерение. Согласно Клейну, пятое измерение "свернуто" до очень малых размеров, намного меньше размеров элементарных частиц, и поэтому ненаблюдаемо.

В неизменном виде теория Калуцы-Клейна просуществовала до 30-х годов XX в., когда были открыты сильные и слабые взаимодействия, которые не могут быть сведены ни к гравитационным, ни к электромагнитным силам. Как мы уже отмечали, эти взаимодействия проявляют себя только в микромасштабе. Грубо говоря, сильное взаимодействие не позволяет распадаться ядрам атомов, несмотря на электростатическое отталкивание между протонами, а слабое взаимодействие обеспечивает относительную стабильность такой частица, как нейтрон.

Стремление физиков создать единую картину мира заставляло их искать решение, объединяющее все четыре фундаментальных взаимодействий в природе. В 70-е годы было положено начало создания т.н. теории Великого объединения (ТВО).

Аналогично теории Т.Калуцы, в ТВО новые взаимодействия описываются путем введения дополнительных измерений. Однако, геометрические законы многомерного пространства и соображения симметрии требуют выделения для двух новых сил уже шести дополнительных координат. Вместе с пятью измерениями, о которых речь шла выше, общее количество измерений пространства достигает 11.

Современная точка зрения предполагает распространение идеи Клейна о свертывании "лишней" 5-й координаты также и на остающиеся шесть координат, причем их свертывание произошло в первые мгновения после Большого взрыва.

В настоящее время существует и альтернативная точка зрения на пространственный парадокс: отдельные исследователи допускают, что ни одно из 11 измерений не является свернутым, но мы наблюдаем только три вследствие ограниченности нашего сознания.

Так, например, первые, самые простые компьютеры могли оперировать только с двумерными изображениями. Для обработки трехмерных моделей требуются процессоры с гораздо большем быстродействием. Очевидно, что возможности человеческого разума, хоть и велики, но не беспредельны. Иными словами говоря, в нашей голове работает 3D-процессор (где D - первая буква от английского слова dimensions - измерения). Но, справедливости ради надо заметить, что такой точки зрения придерживаются очень немногие ученые.



2. Необычные объекты Вселенной: Черные дыры

Идеи о искривлении пространства, гравитации и замедлении времени, высказанные Эйнштейном, имеют одно замечательное свойство: они не только объясняют те феномены, которые нам у же известны, но и позволяют предсказывать существование ранее неизвестных объектов.

К числу таких объектов, перешедших из разряда гипотетических в разряд реально наблюдаемых, относятся Черные дыры.

История изучения Черных дыр восходит к одному из величайших математиков - Пьеру Симону Лапласу (1749-1827). Он обратил внимание на то, что вторая космическая скорость для сверхмассивных объектов вполне может превысить скорость света и сделал вывод о их невидимости.

Напомним, что вторая космическая скорость - это минимальная скорость, которую надо сообщить предмету для того, чтобы он смог окончательно преодолеть притяжение астрономического объекта. Неважно, что это за предмет; пуля, снаряд или космический корабль. В любом случае вторая космическая скорость остается постоянной величиной для данного астрономического объекта, но отличается у объектов с разной массой. Для нашей планеты, например, она составляет 11 км/сек, для Солнца - 600 км/сек, а для Фобоса (спутника Марса) всего 5,5 м/сек. Черная дыра - это настолько массивный объект, что его вторая космическая скорость достигает скорости света (300000 км/сек), и поэтому гравитационное поле Черной дыры является непреодолимым препятствием даже для света.

Задержка времени в ближайших окрестностях Черных дыр достигает 100%. Как это можно себе представить? Допустим, что некий космонавт падает в своем корабле на поверхность Черной дыры. На самом деле это лишь умозрительное предположение, поскольку любой космический корабль погибнет задолго до сколь-либо значительного приближения к Черной дыре, вблизи которой должны действовать чудовищные излучения, магнитные, электрические поля и мощнейшие потоки частиц. Но все же, для удобства и наглядности рассуждений, мы допустим такое чисто гипотетически. Удаленный наблюдатель, рассматривая в телескоп происходящее, никогда не дождется завершения падения, ведь он наблюдает область пространства, где время стоит! В то же время для падающего на Черную дыру космонавта внутри ракеты время будет течь как обычно. Однако, если он посмотрит в иллюминатор на окружающую Вселенную, то он сможет увидеть, как за считанные секунды в окружающем мире пробегают целые эпохи. Фактически, путешествие в Черную дыру - это путешествие в будущее!

Мы не знаем, что увидит космонавт, достигнув "конца времени". Это очень сложный вопрос, зависящий от судьбы Вселенной. В любом случае, он не сможет сообщить нам о своих наблюдениях, поскольку радиосигнал не сможет покинуть окрестности Черной дыры.

Черная дыра "засасывает" звезду

Как мы можем наблюдать Черные дыры, если свет не может вырваться за пределы их окрестностей? Действительно, у нас нет прямой возможности это сделать. Однако для этого у нас есть косвенные возможности. В области пространства, прилежащей к Черной дыре, существуют сверхмощные магнитные, электрические и гравитационные поля. Элементарные частицы, испытывающие ускорение и торможение под их воздействием способны излучать электромагнитные волны в рентгеновском диапазоне. Поэтому, одним из признаков, выдающим присутствие Черной дыры, является сильнейшее рентгеновское излучение, исходящее из небольшой области космического пространства. Другим признаком Черных дыр может служить необычное поведение их соседей, нередко образующих с ними двойные системы; в этом случае наблюдается "перетягивание" вещества от обычной звезды в Черную дыру.

Именно так и происходит с мощным источником рентгеновского излучения Лебедь X-1 - первой Черной дырой, существование которой было реально доказано. Лебедь X-1 вращается вокруг гигантской синей звезды, втягивая ее вещество наподобие гигантского пылесоса.

Черные дыры бывают разной массы и размеров. Самые небольшие из них обладают массой лишь в несколько раз большей, чем масса Солнца и имеют при этом размеры всего в несколько десятков километров. Наиболее крупные Черные дыры находятся в центре галактик; Черная дыра в центре нашей галактики имеет размеры приблизительно соответствующие диаметру орбиты Юпитера, тогда как ее масса, по-видимому, достигает миллиардов солнечных масс.

Есть все основания полагать, что Черные дыры представляют собой конечный продукт эволюции звезд, исходная масса которых должна превышать солнечную по-крайней мере в несколько десятков раз. До тех пор, пока звезда располагает достаточным количеством легких элементов, необходимых для протекания термоядерной реакции, ее температура поддерживается на высоком уровне, что препятствует сжатию и увеличению плотности выше критической. По мере выгорания термоядерного топлива звезда остывает и начинает сжиматься. Процесс гравитационного сжатия способен создавать столь высокое давление, что электронные оболочки атомов не выдерживают; электроны "вдавливаются" в ядра, где они реагируют с протонами и образуют нейтроны. В результате вещество звезды достигает плотности, существующей в атомных ядрах. Фактически она сама будет представлять из себя одно гигантское ядро, состоящее из нейтронов. Небольшой кусочек такого вещества размером с булавочную головку имел бы на Земле вес, равный весу нескольких тяжелогруженых железнодорожных составов.

Процесс сжатия идет очень быстро, сопровождается гигантским взрывом и разлетом внешней оболочки объекта. В астрофизике подобного рода событие известно как взрыв Сверхновой звезды.

Образовавшийся после такого взрыва объект получил название нейтронной звезды. Он способен вращаться вокруг своей оси со скоростью в среднем от 0,2 до 300 об/сек, излучая при этом вдоль оси вращения огромное количество энергии, вследствие чего нейтронные звезды наблюдаются как пульсирующие объекты - пульсары. Благодаря своей огромной мощности их иногда называют маяками Вселенной.

Если начальная масса объекта была не слишком велика, на этом этапе процесс завершается. В противном случае нейтронная звезда претерпевает дальнейшую эволюцию. Нейтроны также могут не выдержать давления, и теперь уже не будет такой силы, которая была бы способна удержать вещество звезды от дальнейшего сжатия - т.н. гравитационного коллапса. Результатом коллапса собственно и является образование Черной дыры.



3. Распространение и поиски жизни во Вселенной

Рисунок П. Лоуэлла

Рисунок Дж. Скиапарелли

Поиск внеземной жизни является одной из немногих областей науки, которые обречены на успех вне зависимости от результата. В том случае, разумеется, если мы считаем чудо хорошим результатом. С одной стороны, открытие внеземной жизни, вне всяких сомнений, может стать чудесным, величайшим достижением современного естествознания, с другой - если удастся доказать, что жизнь на нашей планете уникальна хотя бы в пределах нашей галактики, то это будет еще большее чудо.

Проблема обнаружения внеземной жизни имеет два аспекта: 1) поиски простейших форм жизни и 2) поиски разумной жизни.

В первом случае реальные исследования стали возможными только с созданием космических аппаратов, способных достигать те или иные планеты Солнечной системы и передавать полученную научную информацию на Землю. Нам известны лишь отдельные попытки обнаружения внеземной жизни, относящиеся к эпохе докосмических технологий и представляющие на настоящий момент только исторический интерес.

Так, например, итальянский астроном Дж.Скиапарелли в конце XXв. обнаружил на поверхности Марса темные линии, которые он назвал каналами. Американский астроном П.Лоуэлл (1855-1916) продолжил наблюдения Скиапарелли и в течение нескольких десятков лет проводил систематические наблюдения поверхности Марса. Он детально описал несколько сотен каналов, установил их размеры, создал подробные карты карты каналов и оазисов. Лоуэлл полагал, что сложная сеть каналов представляла собой ирригационные сооружения, созданные обитателями Марса для использования воды, образующейся в процессе сезонного таяния снеговых полярных шапок. Темные линии, шириной от 15 до 130 км, - полосы марсианской растительности. Многочисленные оазисы - темные округлые образования на перекрестках каналов - города, населенные разумными существами.

Работа Лоуэлла отличалась большим объемом новых данных, блестящей интерпретацией и стилем, благодаря чему идеи автора пользовались популярностью как среди ученых, так и в общественных кругах. Интересно, что марсианские "каналы" во времена Лоуэлла наблюдались и многими другими астрономами, но вот проблема - к середине XX века увидеть их уже никому не удавалось. Остается только гадать, был ли факт наблюдения марсианских каналов ошибкой, вызванной несовершенством телескопов того времени или же каналы на самом деле исчезли!

Спустя полвека, чл.-корр. АН СССР Г.А. Тихов в своей книге "Астробиология" (1953 г) доказывал существование растительности на Марсе. Он предположил, что красная окраска большей части марсианской поверхности обусловлена растительностью, имеющей красные фотосинтетические пигменты, и пытался подтвердить это предположение данными спектроскопических наблюдений Марса, полученными с помощью телескопа. К сожалению, предположение Г.А. Тихова оказалось неверным - к настоящему моменту можно твердо говорить об отсутствии на Марсе макрофитов (т.е. растений, наблюдаемых невооруженным глазом).

В современный телескоп на поверхности Марса можно различить детали не более 100 км. Поэтому, исследования этой планеты в рамках советской программы "Марс" (1962-1974) и американской - "Маринер" (1963-1971) оказались настоящим научным прорывом. Стало возможным получить фотографии с деталями около 1 км.

Первой автоматической межпланетной станцией, стартовавшей в сторону Марса, стал аппарат "Марс 1". Полет, начавшийся 1-го ноября 1962-го года, поставил рекорд дальности связи (106 млн. км.), но окончился неудачей: система управления станции сработала ненадежно, "Марс 1" отклонился от траектории.

...