Кризис механической космогонии и новые модели Вселенной
Статья посвящена анализу современной научной картины мира. Каскад открытий в астрономии во второй половине ХХ века привел к кардинальному пересмотру прежних космогонических и космологических гипотез. Поскольку картина мира является высоким уровнем систематизации знаний, ее пересмотр обязательно сказывается на философии, что актуализирует проблему рассмотрения новых моделей Вселенной.
Цель статьи четко обозначена в ее названии. Следует только добавить, что в отличие от сугубо объективистской констатации фактов и гипотез, автор ориентирует материал на гносиологические и онтологические размышления, как это и подобает философу. В силу этого автор обращается к литературным источникам ( см. в конце статьи), которые принадлежат перу как философам, так и естественникам.
--
Подступы к неклассической космологии
Еще в XVIII в. в рамках гравитационной ньютоновской картины мира возникло два направления в объяснении происхождения Солнечной системы: как чрезвычайно редкого, почти случайного (Бюффон), или как закономерного, почти неизбежного (Кант, Лаплас), процесса. Несмотря на выяснившуюся позже несостоятельность обеих концепций в существенных деталях, каждая содержала отдельные плодотворные идеи, которые не раз использовались в дальнейшем.
О первой вспомнили, когда столкнулись в конце XIX в. с неустранимым на основе механики пороком гипотез Канта и Лапласа: распределение в Солнечной системе момента количества движения, обратное распределению в ней масс, необъяснимо в этих механических гипотезах, что делало идею о единой родительской туманности Солнца и планет противоречащей одному из основных принципов механики.
Противоречие снималось идеей взаимодействия Солнца с внешним телом. Эта идея получила воплощение в ряде вариантов предполагавшегося приливного воздействия на Солнце прошедшей вблизи него звезды. Она развивалась в гипотезах Э. Фая (1884),Т. Чемберлина и Ф. Мультона (1900, 1916), Дж. Джинса и X. Джеффриса (1917, 1916). Согласно первой, вырванное из Солнца вещество закручивается спиралью вокруг него и разбивается на большие фрагменты, сгущающиеся в планеты. Вторая допускала, что вырванное вещество быстро остывает, собирается в мелкие "хлопья" - планетезимали, которые холодным образом слипаются при неупругих ударах в крупные тела - планеты и спутники. Последние два автора, под давлением тогдашних геологических данных о прохождении планет через жидкую, расплавленную стадию, вновь допускали, что раскаленное вырванное вещество Солнца дает начало планетам, не успев остыть.
Таким образом, в некоторых приливных гипотезах на новой, гравитационной основе возрождалась идея вихревого движения. Наиболее оригинальную мысль в связи с этим высказывал Джинс, допускавший одно время, что в центрах космических вихрей - спиралей происходит "втекание" в нашу Вселенную из неведомых нам пространств потока материи, которая и рождает видимый вихрь (спираль). Так уже в первые десятилетия XX в. в астрономическую картину мира вновь вошло представление о существовании в космосе "сингулярностей"- областей , не подчиняющихся известным законам физики. Идея вихрей используется некоторыми крупными астрономами и в наши дни - для описания процессов в центрах активных галактик и квазаров и даже при описании возникновения крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной.
Приливные гипотезы были полностью оставлены в 30-е годы - и как провозглашавшие уникальность, чрезвычайную редкость образования планетных систем, и, главное, как не сумевшие одолеть пресловутый парадокс, связанный с моментом количества движения.
Наиболее ценным результатом развития этих гипотез было возрождение и значительно более четкая, чем у Канта, формулировка идеи "промежуточных" тел - планетезималей в гипотезе Чемберлина-Мультона и идея холодного, крайне медленного слипания планетезималей. Первая объясняла недостаток на Земле легких летучих элементов, а вторая- большой возраст Земли (приближавшийся уже по тогдашним оценкам геологов к миллиарду лет). Отметим, что у Канта эта идея холодного образования планет оказывалась само собой разумеющейся: формирующееся одновременно с планетами Солнце разогревалось, по его концепции, лишь после завершения своего формирования.
Из кризисного состояния, когда все гипотезы были отвергнуты, планетную космогонию вывел выдающийся советский математик, геофизик, географ академик О. Ю. Шмидт (1891-1956). Прежде всего он осуществил синтез обоих направлений в космогонии. В 1944 г. Шмидт выдвинул свою "метеоритную гипотезу" образования планетной системы опять-таки при взаимодействии двух независимых (каждый со своим моментом количества движения) объектов: Солнца и "роя тел", захваченного им при прохождении через экваториальную зону Галактики, где подобной метеорной материи весьма много. Последнее обстоятельство делало подобную встречу существенно более вероятной, чем у Джинса.
В дальнейшем Шмидт и его последователи перешли от чисто метеорного облака к газово-пылевому, рассматривая это так называемое протопланетное облако как генетически связанное со звездой (Солнцем). Эта мысль находит подтверждение и в наши дни с открытием вокруг молодых звезд холодных "молекулярных облаков" из газа сложного состава.
Впервые в истории космогонии и астрономии в целом Шмидт объяснил знаменитый, найденный в свое время как эмпирическое правило, закон планетных расстояний Тициуса-Боде, а также вычислил астрономическим путем, исходя из своей теории, возраст Земли. Развитая Шмидтом теория холодного формирования планет из газово-пылевого облака составляет основное ядро его космогонической концепции и содержит наиболее ценные результаты. Она оказала чрезвычайно большое влияние на все дальнейшее развитие планетной космогонии и легла в основу современных, практически ставших общепризнанными, представлений.
Идея возникновения на небе новых звезд родилась у наблюдателей в древности, когда были замечены появления неизвестных ранее "подвижных звезд" (Гиппарх, 134 г. до н.э.). Позднее к ней возвращались первые в Европе наблюдатели сверхновых звезд.
С середины 20-х годов XX в., после окончательного доказательства того, что "мир туманностей" - это множество самостоятельных звездных систем - галактик, а не эволюционная последовательность сгущающихся в звезды масс диффузной материи, звездная космогония надолго утратила наблюдательную почву и стимул к развитию. На новой основе она возродилась к середине XX в. в виде концепции одного их крупнейших астрофизиков академика В.А. Амбарцумяна.
Предположив, что области звездообразования находятся в центральных частях галактик, Амбарцумян предсказал открытие особой активности ядер галактик - в виде разного рода быстропеременных процессов, сопутствующих дезинтеграции вещества (взрывы, интенсивное истечение и выбросы вещества, быстрые изменения светимости, т.е. переменность блеска).
В целом гипотеза Амбарцумяна не вошла пока в современную астрономическую картину мира как общепризнанная или хотя бы равноправно сосуществующая с классической концепцией конденсации, - в первую очередь, видимо, уже по той причине, что эта гипотеза никогда не была детально развита ни ее автором, ни его учениками. Но ее удивительное соответствие открытиям последних десятилетий (активность ядер у так называемых "галактик Маркаряна", дополнивших аналогичный сейфертовский тип галактик, выделенный в 1940-1942 гг. К. Сейфертом, чудовищная активность радиогалактик и квазаров), - позволяет утверждать, что в концепции дезинтеграции есть "зерно истины".
2. Модель взрывающейся и коллапсирующей Вселенной.
До третьего десятилетия XX в. астрономическая картина мира сформировалась, опираясь исключительно на информацию, полученную путем наблюдений в оптическом диапазоне спектра. Все объекты во Вселенной хотя и считались эволюционирующими, но чрезвычайно медленно. Кратковременные процессы с выделением больших количеств энергии - взрывы сверхновых и новых звезд представлялись если не случайными, то редкими.
Но в 1931 г. американский радиоинженер Карл Янский (1905-1950) открыл космическое радиоизлучение. А уже конец 40-х- начало 50-х годов XX в. стало подлинным временем рождения радиоастрономии. Были открыты два типа дискретных радиоисточников. Одни (Телец А, или Крабовидная туманность, Кассиопея А) оказались остатками сверхновых, а другие (Лебедь А, Дева А и Центавр А)- совершенно новыми внегалактическими объектами, которые назвали радиогалактиками. Некоторые объекты (кроме Солнца это атмосферы некоторых планет и кометы) составили третий тип дискретных источников радиоизлучения, главным образом синхронного.
Во второй половине ХХ века получили развитие новые ветви коротковолновой астрономии - рентгеновская и гамма-астрономия. Исследования в рентгеновском диапазоне дали возможность открыть совершенно новый вид источников. Это оказались двойные звезды, у которых один компонент- гигантская нормальная звезда, а другой-нейтронная звезда, либо даже черная дыра. Часть гамма- и рентгеновских источников проявляет весьма загадочную переменность, отчего они получили название "транзиентных" ("переходящих", непостоянно существующих) объектов. Природу одного из них в 1983 г. удалось раскрыть: он оказался рентгеновским пульсаром.
Новые загадки астрономам задала наиболее молодая область корпускулярной астрономии - нейтринная. Поток нейтрино от Солнца оказался слабее предсказанного теорией. Это вновь поставило вопрос о том, достаточно ли надежна современная теория звездных источников энергии...
Развитие новых областей астрономии, прежде всего радиоастрономии, убеждает в существенной роли во Вселенной процессов нестационарных, быстропеременных, с огромным выходом энергии. Это касается не только отдельных звезд, двойных звездных систем, но и целых галактик. Как уже отмечалось, в ядрах многих галактик, а также в квазарах, были обнаружены признаки бурной активности, природа которой до сих пор окончательно не установлена.
Особенно активными оказались квазары и ядра "сейфертовских" галактик, "галактик Макаряна", а также крайне компактных "N-галактик". В таких галактиках во всех диапазонах наблюдаются мощные выбросы вещества, истечение газа с огромными скоростями, как если бы там происходили колоссальные взрывные процессы. Природа активности ядер галактик до сих пор окончательно не установлена. И в этом пункте вступают в единоборство две диаметрально противоположные космогонические концепции - нетрадиционная, опирающаяся на идею дезинтеграции (гипотеза Амбарцумяна), и классическая идея предельного сгущения и его новых неожиданных следствий. Первая, как уже отмечалось, утверждает возможность сохранения и в современной Вселенной остатков вещества в "сингулярном" состоянии, которое, якобы, и распадается в ядрах галактик и квазарах, обеспечивая, особенно в последних, колоссальный выход энергии. Но в настоящее время более распространенной и разработанной является иная концепция, связанная с идеей черных дыр в центрах таких объектов. Так, квазары представляются черными дырами с массой порядка 10Е9 масс Солнца.
Как показал в 70-е годы английский физик С.Хокинг, черные дыры также расходуют свою гравитационную энергию ("испаряются"), стягивая на себя окружающую материю и сообщая ей при этом колоссальную кинетическую энергию, за счет чего последняя начинает излучать в основном в рентгеновской области. Поскольку количество квазаров в единице объема растет с продвижением во все более далекие (и, следовательно, более молодые) области Вселенной, то становится ясным , что образование квазаров отражает процессы, характерные для более молодой Вселенной, когда в ней еще много было диффузной первичной материи, и потому шло бурное формирование наиболее массивных отдельных тел и галактик.
Итак, астрономическая картина мира за последние десятилетия неимоверно обогатилась новыми, совершенно неизвестными прежде или только теоретически мыслившимися физическими объектами. Новые разделы астрономии и новая астрономическая техника позволяют открывать не только необычные типы объектов, но и типы процессов: быстрые качественные изменения космических объектов.
Если астрономическая картина мира, сложившаяся к нашему времени как экстраполяция оптических наблюдений, отразила общие представления главным образом о составе и структуре Вселенной, а также о чрезвычайно медленных процессах в ней, то радио-, рентгеновская и гамма-астрономия дали первые свидетельства о бурных, кратковременных процессах, о поворотных периодах в жизни, развитии космических объектов и их систем самых разных масштабов. Наблюдаемые отдельные явления и объекты сейчас как будто гармонично вписываются в общуюкартину нестационарной в целом Вселенной, что уже породило образ "взрывающейся Вселенной". Впрочем, этот образ уже дополняется и образом "коллапсирующей Вселенной"- пока только в своих отдельных частях. А уточнение средней плотности вещества в Метагалактике даст ответ и на вопрос о том, станет ли когда-нибудь коллапсирующей и вся Метагалактика в целом.
Вместе с определенной гармонизацией общей картины Вселенной в современной астрономической картине мира имеется немало острых проблем. Одна из них - проблема существования и формы "скрытой массы", от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Наблюдения необычных форм галактик заставляют астрономов вновь задумываться о достаточности известных фундаментальных физических законов для описания и понимания наблюдаемой Вселенной. Такие же вопросы встают и в связи с колоссальным различием красных смещений, наблюдаемых у членов компактных групп казалось бы физически связанных между собою галактик.
Современное обогащение ядра астрономической науки еще не демонстрирует существенных противоречий в имеющейся астрономической картине мира. Однако оно создает почву либо для развития современной физики (создания объединенной теории взаимодействий, квантовогравитационной теории, единой теории материи...) , либо ... для усиления кризисной ситуации и новой грандиозной физической революции, и, как неизбежное следствие, -для коренного изменения астрономической картины мира.
3. Проблема квазаров - возможность прорыва к новой модели Вселенной.
Пятьдесят лет назад никто из астрономов не поверил бы, если б ему сказали, что целый класс космических объектов ускользает от его внимания. И это не просто объекты нового типа, а излучающие больше энергии, чем любые другие объекты Вселенной, больше, чем сверхгигантские галактики. Речь идет о квазарах.
Предпосылкой открытия квазаров послужила увеличившаяся разрешающая способность радиотелескопов. Точность определения координат источников радиоизлучения достигла Ђ5" и было обнаружено, что некоторые источники имеют очень малые угловые размеры, причем это были звезды, а не галактики. К 1967 г. было" найдено уже 150 таких квазизвездных источников радиоизлучения (или проще - квазаров).
Итак, квазары - звездообразные объекты, являющиеся сильными источниками радиоизлучения, обладающие избытком излучения в ультрафиолетовой и, как выяснилось, инфракрасной области спектра, на которую к тому же приходится большая доля энергии. Спектр содержит широкие линии излучения, всегда сильно смещенные в красную сторону. Гринстейн и Шмидт в 1964 г. показали, что предположение о его гравитационной природе является почти невероятным, и во всяком случае квазары не могут быть сверхплотными звездами нашей Галактики - против этого говорит наличие запрещенных линий, образующихся лишь в условиях очень низкой плотности. Если эти линии возникают далеко от ядра квазара, где гравитационный потенциал меньше, то непонятно, почему у них такое же красное смещение, как и у разрешенных линий. Гринстейн и Шмидт пришли к выводу, что красное смещение квазаров имеет космологическую природу - как и в спектрах галактик оно обусловлено расширением Вселенной. И позднее "космологические" расстояния квазаров также подтвердили эту идею.
Сравнение данных об очень удаленных и близких объектах подводит нас к выбору между стационарной и эволюционной космологией. С точки зрения стационарной модели, далекие и близкие области вечной Вселенной ничем не должны отличаться, в достаточно большом объеме пространства должны быть одинаковые наборы объектов всех возрастов. Но в релятивистских эволюционирующих моделях далекие объекты должны обладать другими характеристиками, ибо они видны нам более молодыми - из-за конечной скорости распространения света, а возраст их не может превышать время, прошедшее с начала расширения Вселенной. И вот оказывается, что количество квазаров растет к z=1, затем падает и близ z=3 доходит почти до нуля, хотя до z=4-5 яркие квазары еще находятся в пределах обнаружимости для стационарной космологии. Но эта картина меняется, если предположить, что компактные источники радиоизлучения и квазары, помимо красного смещения, обусловленного расширением Вселенной, обладают еще и красным смещением другой природы. Видимые трудности возникают вследствие отказа большинства астрономов признать тот факт, что поведение источников радиоизлучения никоим образом не может быть объяснено в рамках общепринятой физической теории. Наоборот, все наблюдения показывают, что материя выбрасывается из сильных гравитационных полей, а не коллапсирует в сингулярность.
Если в ранних вариантах теории стационарной Вселенной предполагалось, что вещество образуется в микроскопических дозах повсеместно, то вскоре Ф. Хойл и Дж. Нарликар пришли к выводу, что оно возникает именно в квазарах и активных ядрах галактик. Вот где источник чудовищной мощности их излучения, вот почему выносятся из ядер тугие завитки спиралей, вот почему наблюдаются выбросы из ядер. Таким образом, особая роль квазаров и ядер галактик вытекает у Хойла из его всеобщей космологической концепции и из трудностей, связанных с пониманием природы квазаров.
Из концепции "непрерывного творения", как называют иногда теорию стационарной Вселенной, сразу же вытекает, что образование галактик продолжается и в наше время, что многие из них должны быть молоды. Но такой же вывод сделал в 1958 г. и В. А. Амбарцумян, который рассмотрел данные о группах и скоплениях галактик и пришел к выводу об их неустойчивости, а следовательно, молодости тех из них, которые еще не распались. Это смыкание независимо развиваемой теории и выводов из анализа наблюдательных данных - Амбарцумян и Хойл не ссылаются друг на друга - поневоле заставляет призадуматься...
Итак, существуют ли молодые галактики? Согласно как концепции "непрерывного творения", так и взглядам Амбарцумяна, они обязаны существовать. Однако во всех без исключения галактиках Местной группы обнаружены старые звезды населения II. В эллиптических галактиках мы встречаем только звезды населения II, звездообразование там уже давно закончилось, в спиралях есть и молодые звезды населения I, а в неправильных галактиках они составляют большинство - темп звездобразования явно связан с типом галактики, но возраст всех галактик Местной группы примерно одинаков, все они стары. Вывод, сделанный для Местной группы естественно, считать справедливым для всех галактик вообще.
Оценки возраста галактик по нестабильности скоплений и групп галактик внушают сомнения. Трудно согласиться и с теми, кто считает, что хаотичность форм некоторых галактик указывает на их молодость.
Но даже и они все не решаются сделать еще один шаг и отдать предпочтение стационарной модели Вселенной. Все согласны теперь с тем, что в ядрах галактик творятся странные вещи, и что их исследование является первейшей необходимостью для понимания природы и происхождения галактик. Весь вопрос в том, достаточно или нет современной физики для объяснения наблюдаемых в квазарах и ядрах галактик явлений.
Выводы:
Итак, мы знаем пока лишь прошлоеВселенной и ее настоящее - она расширяется от состояния очень большой плотности. Мы не знаем еще ни ее будущего, ни даже конечна или же бесконечна она, - но мы знаем, какие именно наблюдения должны быть сделаны, чтобы решить эту великую задачу. В начальных условиях, определивших эволюцию Вселенной, было ли заложено появление разумной материи, способной, может быть, найти эти начальные условия, или же мы только игра случая? Так или иначе, появление тяжелых элементов и соединений углерода является неизбежным результатом эволюции - от начального "большого взрыва" до межзвездных молекулярных облаков. Четыре качественных скачка было на пути от нуля до нас - "большой взрыв", образование галактик, появление жизни, возникновение разума. Ни одного из них мы еще не понимаем как следует, но промежуточные этапы - такие, как образование и эволюция звезд, - мы теперь знаем со всей определенностью. Настанет ли день, когда мы сможем проследить весь путь от альфы до омеги? - Покажет будущее [1].
Литература
1.См. подробнее: Еремеева А.Н. Астрономическая картина мира и ее творцы. М., 1984; Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М., 1990; Астрономия и современная картина мира. М., 1996; Павленко А.Ю. Европейская космология: основание космологического поворота. М., 1997; Логунов А.А. Теория гравитационного поля. М., 2001.