5.2. Эволюция вселенной

Основные концепции космологии. Вселенная — самая крупная ма-

териальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних

времен. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт., 1,2), — так

сказано в Библии. Вначале был вакуум — уточняют современные физи-

ки. Каковы истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Ка-

кова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые

разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания

176

XX в. не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы. В этой связи

нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:

«Мы, возводя соборы космогоний,

Не внешний в них отображаем мир,

А только грани нашего незнания».

Тем не менее принято считать, что основные положения современной

космологии — науки о строении и эволюции Вселенной — начали фор-

мироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивист-

ской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на

описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное

состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, ока-

залась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г.

профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В

результате решения космологических уравнений он пришел к выводу:

Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она долж-

на расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт

Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) из-

мерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туман-

ностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсервато-

рии Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галак-

тик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана

о расширении Вселенной и установил эмпирический закон — закон

Хаббла:

скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r

до нее, т.е.

V=Hr,

где Н — постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшает-

ся — разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблю-

даемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной по-

стоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из ре-

зультатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увели-

чивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен

3,3 светового года; световой год — это расстояние, проходимое светом в

вакууме за один земной год). При данной скорости экстраполяция к про-

шлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд.

лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредото-

чена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плот-

ность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и

12-3290 177

вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По ка-

ким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и

взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого

взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света опреде-

ляется радиус космологического горизонта — граница познания Вселен-

ной посредством астрономических наблюдений. Информация об объек-

тах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла — мы не мо-

жем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет пока-

зывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно

1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно

на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с ве-

личиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения замет-

ного расширения космологического горизонта нужно подождать мил-

лиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Все-

ленной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва

ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза — ги-

потеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а

пульсирует между конечными пределами плотности. Из нее следует, что

в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сей-

час, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики прибли-

жались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние

их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдви-

гаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах

космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х го-

дов XX в. Г.А. Гамовым (1904—1968), физиком-теоретиком, эмигриро-

вавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью го-

рячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в

начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с

чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной

плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следуют два вывода:

1) вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в ос-

новном из водорода (75%) и гелия (25%);

2) в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромаг-

нитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Все-

ленной, и поэтому названное реликтовым.

С развитием астрономических средств наблюдения, и в частности, с

рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания

Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933) и

Р. Вильсон (р. 1936) экспериментально обнаружили реликтовое излуче-

ние, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое из-

178

лучение — это фоновое изотропное космическое излучение со спектром,

близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой

около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллимет-

ров до десятков сантиметров.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого

раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских

ядерных исследований в Женеве получено новое состояние мате-

рии — кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии

Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих

пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее

трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших рас-

стояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, обна-

ружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При

сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет несколько

световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию,

примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигант-

ских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие

физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного

количества энергии, пока неясно.

Астрономы обратили внимание на определенное сходство между ква-

зарами и активными ядрами некоторых галактик. Квазары — весьма уда-

ленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космиче-

ский объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что

обусловливается конечной скоростью распространения электромагнит-

ного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика — около

300 тыс. км/с, но даже при такой огромной скорости для преодоления кос-

мических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет.

Мы наблюдаем объекты Вселенной — Солнце, планеты, звезды, галакти-

ки — в прошлом. Причем различные объекты — в разном прошлом. На-

пример, Полярную звезду — такой, какой она была около шести веков

назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием

на 2 млн. лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с ак-

тивными ядрами в среднем расположены ближе. Следовательно, они при-

надлежат к объектам более позднего поколения, т.е. образовались после

рождения квазаров. Возникает вопрос: не являются ли квазары протояд-

рами будущих галактик, теми «зародышами», вокруг которых впоследст-

вии сформировались десятки и сотни миллиардов звезд — звездные ост-

рова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипоте-

за о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некото-

рая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме,

12* 179

критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое

вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гра-

витационная катастрофа — гравитационный коллапс. В результате сжа-

тия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда

сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее пре-

одоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие

скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства чер-

ной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излуче-

ние черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры

способны только поглощать излучение. На рис. 5.1 изображена вообра-

жаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходя-

щий на близком расстоянии от нее, поглощается, а более отдаленные

лучи искривляются.

Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происхо-

дит различными путями. Например, они могут возникать в результате

сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вслед-

ствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массив-

ных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут на-

ходиться сверхмассивные черные дыры.

180

Результаты наблюдения галактики М—87 позволяют предполагать,

что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабо-

светящаяся масса, превосходящая 5 млрд. солнечных масс. Похожие ре-

зультаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигант-

ские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока

неизвестной природы. Существование черных дыр следует из общей тео-

рии относительности, и об их астрономическом открытии говорить не

приходится. Совершенно другой точки зрения на данную проблему при-

держиваются известный российский специалист в области квантовой тео-

рии поля, выдающийся ученый, академик РАН А.А. Логунов и его после-

дователи. Исходя из понимания гравитации как проявления реального

физического поля, а не как следствия искривления пространства — вре-

мени согласно общей теории относительности, ученые находят логиче-

ское объяснение наблюдаемым в мегамире явлениям, не прибегая к поня-

тию черной дыры.

Сравнительно недавно основные положения космологии базирова-

лись на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как мед-

ленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния

к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество,

и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгуща-

ются в звезды и т.д. Однако наблюдения последних десятилетий свиде-

тельствуют и о другом: в развитии материи во Вселенной играют опреде-

ленную роль и нестационарные процессы, в частности взрывные процес-

сы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют

собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объек-

тов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в дру-

гое, образуются новые небесные тела — происходит самоорганизация

Вселенной.

Вопрос об образовании космических объектов в результате нестацио-

нарных процессов и о самоорганизации Вселенной еще окончательно не

решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествозна-

ния состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии на-

ходилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было

состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, про-

исходящих при столь высокой плотности, современные фундаменталь-

ные физические теории, к сожалению, не применимы. При таких услови-

ях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, ха-

рактерные для процессов микромира. А теории, которая объединяла бы

их, пока нет — ее предстоит создать.

181

Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации,

заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физи-

ческого вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось, — своеобраз-

ная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» ве-

щественные частицы без нарушения законов сохранения материи и дви-

жения.

Вселенная в широком смысле — это среда нашего обитания. Поэтому

важное значение для практической деятельности человека имеет то об-

стоятельство, что во Вселенной господствуют необратимые физические

процессы, что она изменяется с течением времени, находится в постоян-

ном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое

космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший

размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того чтобы

учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они

могут внести в состояние среды нашего обитания, в том числе и космиче-

ской, мы должны изучать не только земные явления и процессы, но и за-

кономерности космического масштаба.

5.3. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не ос-

таваясь равнодушным к созерцаемому. «Открылась бездна, звезд полна.

Звездам числа нет, бездне — дна» — эти прекрасные строки М.В. Ломо-

носова, написанные на заре зарождения русской поэзии, образно и наибо-

лее полно описывают первое впечатление, которое испытывает человек,

любуясь завораживающей картиной звездного неба. Про звезды сложено

множество стихов, песен. Звезды и бескрайнее небесное пространство

всегда притягивали и притягивают всех: и самого обыкновенного челове-

ка, и поэта, и ученого. Но для ученых, естествоиспытателей звездное

небо — не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный,

неисчерпаемый объект исследований.

В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно на-

блюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть

тех звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная.

Вселенная — это весь существующий материальный мир, безграничный

во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, ко-

торые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной,

доступная исследованию астрономическими средствами, соответствую-

щими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалакти-

кой. Иначе говоря, Метагалактика — охваченная астрономическими на-

блюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологиче-

ского горизонта.

182

Структура Вселенной — предмет изучения космологии, одной из

важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естест-

венных наук: астрономии, физики, химии и др. Главные составляющие

Вселенной — галактики — громадные звездные системы, содержащие

десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой

входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме

звезд и планет Галактика содержит разреженный газ и космическую

пыль.

Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скопле-

нием светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны го-

ризонта до другой, и состоит примерно из 150 млрд. звезд. По форме он

напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого

отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрез-

вычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует

около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в ги-

гантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около

30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце.

Основное «население» галактик — звезды. Мир звезд необыкновенно

разнообразен. И хотя все звезды — раскаленные шары, подобные Солн-

цу, их физические характеристики различаются весьма существенно.

Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они

значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Це-

фея больше объема Солнца в 14 млрд. раз. Если бы эту громадную звезду

можно было поместить в центре нашей планетной системы, то не только

Земля, но и орбиты более далеких планет — Марса, Юпитера, даже Са-

турна — оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно ус-

тупающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли

и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью.

Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов мож-

но было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммо-

вой гире, то на Земле такая гиря весила бы 4 тыс. т.

Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Диаметр та-

кой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц — нейтро-

нов, составляет всего около 20—30 км, а средняя плотность вещества дос-

тигает 100 млн. т/см3. По существу, нейтронная звезда — это громадное

атомное ядро. Существование нейтронных звезд теоретически предсказа-

но еще в 30-х годах XX в. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г.

по необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды бы-

стро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрирует

183

радиотелескоп как импульс радиоизлучения. Поэтому нейтронные звез-

ды подобного типа называются пульсарами. Большинство пульсаров из-

лучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн. Иногда их

называют радиопульсарами. Пульсары в Крабовидной туманности и ряд

других излучают, кроме того, в оптическом, рентгеновском и гамма-диа-

пазонах.

Звезды обладают различными поверхностными температурами —

от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно разли-

чен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды — с температурой

3—4 тыс. градусов — красного цвета. Наше Солнце с поверхностью, «на-

гретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звез-

ды — с температурой выше 12 тыс. градусов — белые и голубоватые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Та-

кие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических

процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасы-

вают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чу-

довищное количество энергии — в миллиарды раз больше, чем излучает

Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превра-

щаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образова-

лась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источ-

ником излучения, что свидетельствует о продолжении происходящих

внутри нее интенсивных процессов.

Звезды, составляющие нашу Галактику, движутся вокруг ее центра по

очень сложным орбитам. С огромной скоростью — около 250 км/с —

движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои

планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг га-

лактического центра за время больше 200 млн. лет.

Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен

наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены от нас на рас-

стояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спут-

ник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного

путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магелла-

новых облаков — Большого и Малого. Радиоастрономические исследо-

вания последних десятилетий показали, что Магеллановы облака — это

спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего

центра.

На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближай-

шая к нам галактика — Туманность Андромеды, которая по своему

строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по

своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники — две эл-

липтические туманности, состоящие из огромного числа звезд.

184

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаро-

вые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех известных га-

лактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них

равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звез-

ды — красные гиганты. К спиральным галактикам относятся наша Галак-

тика, туманность Андромеды и многие другие. Галактики неправильной

формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд

в них пока не установлена. В созвездии Центавра наблюдается шаровая

галактика, являющаяся источником радиоизлучения.

Наша Галактика, туманность Андромеды вместе с другими соседни-

ми звездными системами образуют Местную систему галактик. Она

объединяет 16 галактик. Диаметр ее больше 2 млн. световых лет. Звезд-

ные острова, галактики — типичные объекты Вселенной. К настоящему

времени известно множество звездных образований, которые таят в себе

еще немало загадок.

5.4. СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ВСЕЛЕННОЙ

Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные

излучения — электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. роди-

лись радиоастрономия и нейтринная астрономия. Первым вестником

объектов Вселенной далеких миров был световой луч — электромагнит-

ные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое

излучение воспринимается непосредственно — невооруженным глазом.

Для наблюдения небесных тел пользуются специальными прибора-

ми — телескопами. Телескоп не увеличивает звезды и не приближает их,

как это иногда ошибочно утверждают, а собирает свет с помощью объек-

тива — двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая тру-

ба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем невооруженный глаз.

Сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи ста-

ницы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескоп с диаметром

зеркала в 6 м собирает света в миллион с лишним раз больше. Это очень

сложное уникальное техническое устройство. Состоит оно из 25 тыс. де-

талей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен

разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом элек-

тронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с за-

данной программой и обработки полученных результатов. В последнее

время вступили в строй телескопы с диаметром зеркала 8, 10 и 11 м. Со-

временные телескопы снабжены спектрографами для изучения спектра

излучения, по которому определяются химический состав и температура

источника излучения.

185

Завершается строительство крупнейшей в мире системы оптических

телескопов Европейской южной обсерватории на горе Сьерро-Параналь

в чилийской пустыне Атакама. По суммарной площади зеркал эта систе-

ма будет эквивалентна 17-метровому телескопу и по разрешающей спо-

собности примерно в десять раз превзойдет все современные телескопы.

Продолжается модернизация прославленной обсерватории Маунт

Вилсон (штат Калифорния). На звездную вахту встанут шесть телеско-

пов, каждый с зеркалом диаметром в 1 м. Они будут расположены попар-

но по трем различным направлениям. Предполагается, что компьютерная

обработка информации позволит получить разрешение звездного изобра-

жения, доступное телескопу с зеркалом диаметром 400 м (это даже труд-

но себе представить!).

С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры расширился

диапазон исследования космического излучения. Радионаблюдение Все-

ленной не зависит от времени суток и погодных условий. Источниками

космического радиоизлучения являются многие объекты Вселенной, в

которых протекают бурные физические процессы. Принципы действия

радиотелескопа и оптического телескопа во многом совпадают. Однако

функцию объектива, собирающего космическое излучение, в радиотеле-

скопе выполняют огромные антенны специальной формы. Один из круп-

нейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 1977 г. в

40 км от 6-метрового оптического телескопа. Его кольцевая антенна диа-

метром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из ко-

торых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной

осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного

неба.

Еще один вестник Вселенной — инфракрасные лучи. По длине волны

они занимают промежуточное место между радиоволнами и видимым

светом. Инфракрасные лучи обладают важным свойством: они проходят

сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не вос-

принимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные

фотопластинки. Поэтому при фотографировании космических объектов в

инфракрасном диапазоне применяют специальные фотоматериалы и

электронно-оптические преобразователи.

Из глубин Вселенной поступают еще два вида сигналов: ультрафио-

летовые и рентгеновские лучи. Для этих видов коротковолнового излуче-

ния земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало дос-

тупным для изучения лишь при появлении ракетной и космической тех-

ники. С помощью приборов, установленных на борту высотных ракет,

удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца. Рентге-

новские телескопы на борту космических аппаратов зарегистрировали

186

излучение большого числа различных космических объектов и рентге-

новское свечение всего неба — своеобразный рентгеновский фон.

К многообещающим источникам космической информации относит-

ся гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит

энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна.

Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию

о физических процессах в глубине Вселенной.

С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наме-

тился еще один путь к разгадке сокровенных тайн Вселенной. Он связан с

регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной ас-

трономии. Отличительная особенность нейтрино — чрезвычайно высо-

кая проникающая способность. Регистрируя нейтринный поток с помо-

щью детекторов, можно получить информацию о термоядерных про-

цессах, протекающих в звездах.

С появлением космической техники открылась новая возможность

исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник

«Хаббл» позволил получить не только четкие изображения планет Сол-

нечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На

снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно 100 млн. км можно

различить детали поверхности Марса размером не менее 25 км — такова

разрешающая способность телескопа «Хаббл». Для сравнения: один из

лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории

Маунт-Паломар (США) позволяет рассмотреть детали на Марсе разме-

ром 300—400 км. С помощью спутникового телескопа «Хаббл» удалось

лучше рассмотреть кольца Сатурна и обнаружить кольцевые системы

Юпитера, Урана и Нептуна. С поверхности Земли такие системы не вид-

ны — мешает замутненность атмосферы нашей планеты.

В настоящее время создается новый внеземной телескоп, который за-

менит «Хаббл» в 2006 г. Новый телескоп гораздо чувствительнее «Хабб-

ла». Он сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр

зеркала нового прибора — 8 м, а масса зеркала — всего 7 кг. Для сравне-

ния: зеркало действующего телескопа «Хаббл» имеет диаметр 2,4 м и ве-

сит 826 кг. В новой конструкции зеркальную поверхность образует слой

золота, нанесенный на силиконовую пленку.

Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А

можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возмож-

ность представляют космические аппараты. Долгое время Земля казалась

человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи

лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса, откуда

представилась прекрасная возможность увидеть нашу планету всю, цели-

ком, и откуда она больше не кажется нам необъятной и безграничной.

187

Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсе-

нал средств астрономических наблюдений, наземных и космических,

способствует дальнейшему раскрытию тайн Вселенной.

5.5. ПРОБЛЕМА ПОИСКА ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ

К настоящему времени известен только один очаг жизни и разу-

ма — планета Земля. Однако нельзя однозначно утверждать, что среди

многих миллиардов звезд условия зарождения живой материи и ее дли-

тельной эволюции могли возникнуть только в одной точке Вселен-

ной — в нашей Галактике, вблизи Солнца. Проблема поиска жизни, и

особенно разумной, вне Земли в последние десятилетия приобретает ес-

тественно-научный характер. Вряд ли есть другая научная проблема, ко-

торая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как про-

блема связи с внеземными цивилизациями. Созываются научные конфе-

ренции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество

ученых, ведутся экспериментальные исследования. По меткому выраже-

нию писателя-фантаста Станислава Лема, проблема связи с внеземными

цивилизациями подобна игрушечной матрешке — она содержит в себе

проблематику многих отраслей естествознания.

Возможно, что среди множества звезд Вселенной найдутся десятки, а

может быть и сотни таких, которые окружены обитаемыми планетами.

Можно предполагать, что и перед другими цивилизациями, достигшими

высокого уровня развития, как наша, встал тот же вопрос — как устано-

вить связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает,

быть может и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает сиг-

налы, на которые пока человечество отвечало молчанием! На какой же

длине волны возможна такая передача? Скорее всего, в диапазоне радио-

волн.

Вероятно, неведомые нам разумные существа могут жить на другой

планете, окруженной атмосферой. Значит, они могут посылать радиосиг-

налы в космос только через узкое «радиоокно» их атмосферы. Возмож-

ный диапазон радиоволн для «межзвездной» радиосвязи, по-видимому,

ограничивается длинами от нескольких сантиметров до 30 м. Космиче-

ские естественные источники излучения ведут постоянную интенсивную

«радиопередачу» на волнах метрового диапазона. Чтобы она не создавала

досадных помех, радиосвязь между обитаемыми мирами должна вестись

на длинах волн не более 50 см. Более короткие радиоволны (в несколько

сантиметров) не подходят, поскольку тепловое радиоизлучение планет

происходит именно на таких волнах, и оно будет «глушить» искусствен-

ную радиосвязь. Родилась идея: радиосвязь целесообразно вести на вол-

нах, близких к 21 см, которые излучает межзвездный водород, играющий

188

важную роль в изучении Вселенной. Водород — самый распространен-

ный элемент в наблюдаемой нами части Вселенной, и его излучение на

волне 21 см можно рассматривать как некий природный космический эта-

лон.

С конца 1960 г. в Национальной радиоастрономической обсерватории

США начались систематические «прослушивания» некоторых звезд с це-

лью обнаружить искусственные радиосигналы. Для начала были выбра-

ны две звезды, весьма похожие на Солнце. Это Тау из созвездия Кита и

Эпсилон из созвездия Эридана. До каждой из них около одиннадцати све-

товых лет. Прослушивание велось с помощью радиотелескопа с диамет-

ром зеркала 26 м. Однако космос безмолвствовал. Впрочем, надеяться на

быстрый успех было бы слишком наивно. Пройдут годы, а может быть

многие десятилетия, прежде чем удастся принять искусственные радио-

передачи из глубин Вселенной. Да и расшифровав полученные радиосиг-

налы и послав в ответ свои, мы не можем ожидать быстрого, оперативно-

го разговора. Наши вопросы и их ответы будут распространяться со ско-

ростью света, а это значит, что от посылки до получения ответа пройдут

десятилетия и даже столетия. К сожалению, разговор ускорить невозмож-

но — в природе нет ничего быстрее радиоволн.

В США обсуждается проект по созданию комплекса для приема вне-

земных радиосигналов, состоящего из тысячи синхронных радиотелеско-

пов, установленных на расстоянии 15 км друг от друга. В сущности, такой

комплекс подобен одному исполинскому параболическому радиотеле-

скопу с площадью зеркала 20 км2. Проект предполагается реализовать в

течение ближайших 10—20 лет. Стоимость намеченного сооружения по-

истине астрономическая — не менее 10 млрд. долл. Проектируемый ком-

плекс радиотелескопов позволит принимать искусственные радиосигна-

лы в радиусе 1000 световых лет. В таком огромном космическом про-

странстве содержится свыше миллиона солнцеподобных звезд, часть ко-

торых, возможно, окружена обитаемыми планетами. Чувствительность

проектируемой системы чрезвычайно высока. Если бы вокруг ближай-

шей к нам звезды Альфа Центавра обращалась планета, подобная Земле

(с таким же уровнем развития радиосвязи), то такая система сможет уло-

вить посылаемые от нее радиосигналы.

Жажда общения с внеземным разумом так сильна, что все техниче-

ские и временные трудности кажутся преодолимыми. К тому же разум-

ные наши собратья могут оказаться и по соседству с нами. Вселенная бес-

предельна в своем многообразии, среди бесчисленного множества звезд-

ных и планетных систем могут встретиться такие планеты, физические

условия на которых создали предпосылки для зарождения и развития

жизни. Но какой жизни? Такой, как у нас на Земле, или отличающейся от

нее? И в состоянии ли мы сразу распознать живую материю, не родствен-

189

ную нам? Еще более сложен вопрос о внеземных разумных существах.

Если они есть, то сможем ли мы их понять? Конечно, не исключена веро-

ятность возникновения на других планетах не известных нам цивилиза-

ций. Мы знаем только живую материю, зародившуюся на нашей планете.

Может быть, в безграничном пространстве Вселенной существует

множество других совершенных и сложных форм движения и организа-

ции материи, о которых мы даже не подозреваем. Проблема внеземных

цивилизаций представляет интерес не только с точки зрения их обнару-

жения, но и для более глубокого исследования закономерностей процес-

сов развития материальных систем на нашей планете.

5.6. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА — ЧАСТЬ ВСЕЛЕННОЙ

Происхождение и структура Солнечной системы. В центре Сол-

нечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются

девять больших планет вместе со своими спутниками, множество малых

планет — астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, много-

численные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располага-

ются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Ве-

нера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 5.2).

Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы.

Остальные видны, как яркие светящиеся диски небольших диаметров и

известны людям с древних времен.

На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить

прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной сис-

190

темы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остают-

ся весьма ограниченными — для эксперимента в лабораторных условиях

доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.

К настоящему времени известны различные гипотезы о происхожде-

нии Солнечной системы, в том числе и предложенные независимо немец-

ким философом И. Кантом (1724—1804) и французским математиком и

физиком П. Лапласом (1749—1827). Точка зрения И. Канта заключается в

эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого

сначала возникло центральное массивное тело — Солнце, а потом роди-

лись и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и

очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь

под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие зако-

на сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под

действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вра-

щении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись

кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты,

которые образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различие ме-

жду двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной

идеи — Солнечная система возникла в результате превращения туманно-

сти. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной систе-

мы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солн-

це миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее последователь-

но отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта

(1891—1956). По его мнению, планеты образовались в результате объе-

динения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако

сначала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные элементы конден-

сировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке

быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака во-

круг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плос-

кости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя дос-

тигла некоторого критического значения, его собственное тяготение ста-

ло «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчи-

вым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с

другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее

крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте на-

чали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих

планет. Как более массивные тела они присоединяли к себе оставшееся

вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять

больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на

191

протяжении миллиардов лет. В соответствии с данной гипотезой Солнце

образовалось раньше планет. По современным оценкам возраст Солнца

не менее 5 млрд. лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две груп-

пы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной груп-

пы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается отно-

сительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза

превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиган-

ты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными

массами. Так, масса Урана равна 15 земным, а Юпитера — 318. Состоят

планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плот-

ность их вещества близка к плотности воды. По-видимому, они не имеют

твердой поверхности в отличие от планет земной группы. Особое место

занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим

размерам она близка к планетам земной группы. Сравнительно недавно

обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрально-

го тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются во-

круг общего центра масс.

Солнце. Центральное тело нашей планетной системы — Солн-

це — ближайшая к Земле звезда, представляет собой раскаленный

плазменный шар, гигантский источник энергии мощностью около

3,86 1023 кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, ко-

торого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной в тысячу

километров, окружающий земной шар. Солнце играет исключительно

важную роль в возникновении и развитии жизни на Земле, на которую по-

падает лишь незначительная часть его энергии, в то же время достаточная

для поддержания газообразного состояния земной атмосферы, нагрева-

ния поверхностей суши и водоемов и обеспечения жизнедеятельности

животных и растений. Существенная часть солнечной энергии запасена в

недрах Земли в виде каменного угля, нефти и природного газа.

Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температу-

рах — около 15 млн. градусов — и гигантском давлении протекают тер-

моядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением чрезвычай-

но большого количества энергии. Одной из возможных реакций может

быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия.

Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода

преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превра-

щаются в излучение. Термоядерная реакция не прекратится до тех пор,

пока не иссякнут запасы водорода, составляющие в настоящее время око-

ло 60% массы Солнца. Таких запасов должно хватить, по меньшей мере,

на несколько миллиардов лет.

192

Почти вся энергия Солнца выделяется в его центральной части, отку-

да переносится излучением и во внешний слой передается конвекцией.

Эффективная температура поверхности Солнца — фотосферы — около

6000 К. Солнце — источник не только света и тепла: его поверхность из-

лучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а

также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений суще-

ственно меняется и зависит от уровня солнечной активности. Наблюда-

ются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наиболь-

шей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности

Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация

верхних слоев атмосферы и т.д. Солнце оказывает заметное влияние не

только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и

на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том

числе и на человека.

Луна. Подобно тому как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг

Земли движется Луна — естественный спутник нашей планеты. Луна

меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диа-

метра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на

Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притя-

жения не позволила Луне удержать плотную, как на Земле, атмосферу и

сохранить на ее поверхности воду.

Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций маг-

матических пород. Минералогический состав лунных пород близок к

земным породам — базальтам. Лунные породы отличаются от земных по

содержанию оксидов, железа (более 25%) и титана (до 13%). Рельеф

Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные

области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мел-

кие кратеры метеоритного происхождения.

В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автомати-

ческая станция «Луна-2». С того времени начался новый этап ее иссле-

дования. Получена интересная информация о составе и структуре лун-

ных пород. По предварительным оценкам, возраст лунных пород —

2,6—4 млрд. лет. Температура лунной поверхности — 100—400 К. Луна

находится на среднем расстоянии от Земли 384 400 км. Преодолев такое

огромное расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армст-

ронг впервые ступил на поверхность Луны — сбылась давняя сказочная

мечта человечества.

Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера,

Земля, Марс, — хотя и похожи друг на друга, но все же каждая из них

имеет свои неповторимые особенности. Характерные параметры планет

земной группы представлены в табл. 5.1.

13 — 3290 193

Среднее расстояние в табл. 5.1 дано в астрономических единицах (а.е.);

1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е.= 1,5 • 108 км).

Самая массивная из этих планет — Земля: ее масса 5,89 • 1024 кг. Планеты

земной группы существенно отличаются друг от друга составом атмосфе-

ры и физическими параметрами у поверхности (табл. 5.2).

Меркурий — самая малая планета в земной группе — не смогла со-

хранить атмосферу в том составе, который характерен для атмосферы

Земли, Венеры, Марса. Атмосфера Меркурия крайне разрежена и содер-

жит в основном Ar, Ne, He. Из табл. 5.2 видно, что земная атмосфера отли-

чается относительно большим содержанием кислорода и паров воды,

благодаря которым существует биосфера и развивается жизнь. Атмосфе-

ра Венеры и Марса содержит сравнительно много углекислого газа и

мало кислорода и паров воды — все это характерные признаки безжиз-

ненных планет. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и

высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых ор-

ганизмов. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм

жизни на Марсе в отдаленном прошлом. Результаты исследований по-

следних лет показывают, что вопреки прежним представлениям Марс,

как и наша планета, обладает дифференцированной корой с высоким со-

держанием алюминия, кремния и калия, но с пониженным содержанием

магния.

194

Планеты Меркурий и Венера не имеют спутников. Естественные

спутники Марса — Фобос и Деймос.

Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к пла-

нетам-гигантам. Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая боль-

шая планета Солнечной системы — находится на среднем расстоянии от

Солнца 5,2 а.е. Он является мощным источником теплового радиоизлуче-

ния, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет

28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Он име-

ет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в

1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представля-

ют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до

10—20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса.

Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет

систему колец. Вокруг него обращаются 16 спутников: 6 из них обнару-

жены при наблюдении с Земли, а остальные — с помощью космических

аппаратов.

Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет имеет 8 спут-

ников. Период его обращения — 164,8 г. Нептун находится на сравни-

тельно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает

возможность его детального исследования.

Современные астрономические средства наблюдений, в том числе

космические аппараты, открывают большие возможности дальнейших

исследований не только планет-гигинтов, но и всей Солнечной системы

изученной части Вселенной.

5.7. ЗЕМЛЯ — ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Происхождение Земли. Особое место в Солнечной системе занимает

Земля — единственная планета, на которой в течение миллиардов лет

развиваются различные формы жизни. Известно несколько гипотез о про-

исхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным вещест-

вом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли,

были межзвездная пыль и газы. Однако до сих пор нет однозначного отве-

та на вопросы: каким образом в составе планет оказался полный набор хи-

мических элементов таблицы Менделеева и что послужило толчком для

начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность. Некото-

рые ученые предполагают, что появление разнообразия химических эле-

ментов связано с внешним фактором — взрывом Сверхновой звезды в

окрестностях будущей Солнечной системы. По-видимому, в недрах и га-

зовой оболочке сверхновой звезды в результате ядерных реакций проис-

ходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез). Мощный

взрыв своей ударной волной мог стимулировать начало конденсации

межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланет-

ный диск, впоследствии распавшийся на отдельные планеты внутренней

и внешней групп с поясом астероидов между ними. Такой путь начальной

13* 195

стадии формирования Солнечной системы называется катастрофиче-

ским, так как взрыв Сверхновой звезды — природная катастрофа. В мас-

штабах астрономического времени подобные взрывы — не столь уж ред-

кое явление — они происходят в среднем через несколько миллиардов

лет.

Предполагается, что образованию планет из протоплазменного диска

предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно

крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетези-

малями; последующее их скопление и соударение вызвало аккрецию (на-

ращивание) планеты, которая сопровождалась изменением гравитацион-

ных сил.

Есть противоположные мнения о тепловом состоянии Земли на раз-

ных стадиях ее развития. Вопреки гипотезе Канта—Лапласа об огнен-

но-жидком исходном состоянии Земли, в первой половине XX в. обсуж-

далась идея об изначально холодной Земле, недра которой в дальнейшем

стали разогреваться вследствие тепла, выделяемого при распаде естест-

венных радиоактивных веществ. Однако в этой концепции не учитыва-

лось выделение тепла при аккреции и особенно при соударении планете-

зималей больших размеров. Возможно, существенный разогрев Земли

вплоть до температуры плавления ее вещества произошел уже на стадии

аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начиналась диффе-

ренциация вещества Земли на несколько оболочек и прежде всего на си-

ликатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радио-

активный источник тепла. Выделявшееся тепло повлекло за собой обра-

зование газов и водных паров, которые, выходя на поверхность, и форми-

ровали воздушную оболочку — атмосферу и водную среду нашей

планеты.

Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних по-

род, найденных в земной коре, составляет около 4 млрд. лет. По оценкам

некоторых ученых, формирование Земли длилось 5—6 млрд лет. Понадо-

бились миллиарды лет, чтобы образовалась наша планета — Земля. Зем-

ной шар, сплюснутый у полюсов, вращаясь вокруг собственной оси, дви-

жется со средней скоростью около 30 км/с в космическом пространстве

по эллиптической траектории вокруг Солнца.

Наша Земля удивительна и прекрасна. Такой ее представляли и пред-

ставляют многие люди. Особенно прекрасной она выглядит из космоса,

где впервые побывал советский космонавт Ю.А. Гагарин (1934—1968),

совершивший 12 апреля 1961 г. первый в истории человечества полет на

космическом корабле «Восток».

Строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Зем-

ную кору покрывают гидросфера — жидкая оболочка (она не сплошная)

и атмосфера — газовая оболочка. Наша планета до сих пор хранит еще

196

множество тайн. Проникнуть глубоко внутрь нее даже сегодня не так лег-

ко. Глубина современных шахт — всего лишь несколько километров.

Самая глубокая скважина в мире пробурена в 1994 г. в России на Коль-

ском полуострове, ее глубина — 12 262 м. Основные сведения о строении

Земли, химическом составе ее пород и т.п. добываются косвенными мето-

дами, в частности при исследовании колебаний земной коры в процессе

землетрясений и анализе химического состава вулканической массы.

Твердая оболочка Земли делится на две основные части: верхнюю —

земную кору и нижнюю — мантию. Средняя толщина земной коры — не-

сколько десятков километров. На материках она равна 30—40 км, под Па-

миром и Андами — 70—80 км, а под океанами — не более 10 км. Поверх-

ностный слой земной коры на континентах сформировался в основном из

осадочных пород. В нем сохранились останки вымерших животных, ко-

гда-то населявших Землю, и фрагменты погибших растений.

Самая глубинная часть Земли — ядро. Его радиус — около 3,5 тыс. км.

Оно состоит из внешней оболочки в жидком состоянии и внутреннего

твердого субъядра. Температура в центре ядра — примерно 5000°С,

плотность вещества ядра — 12,5 т/м3. По химическому составу субъядро

похоже на железный метеорит, содержащий около 80 % железа и 20 % ни- '

келя. Внешняя оболочка ядра содержит 52 % железа и 48 % смеси железа

с серой. Согласно одной из гипотез, в результате циркуляции потоков

расплавленных металлов во внешней оболочке ядра возникает магнитное

поле Земли.

Между ядром и земной корой находится мантия — самая массивная

часть Земли, составляющая около 83 % ее объема. Температура ман-

тии — 2000—2500 °С. Вещество мантии содержит различные силика-

ты — соединения, включающие кремний. Происходящие в ней процессы

обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулкани-

ческую активность.

Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосфе-

ру — внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с гипотезой

новой глобальной тектоники — науки о развитии структуры земной

коры — литосфера состоит из крупных плит, перемещающихся в гори-

зонтальном направлении по астеносфере — подстилающем литосферу

слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Лито-

сферные плиты — это крупные (до нескольких тысяч километров в попе-

речнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную,

но и сопряженную с ней океаническую кору. На границе их находятся

сейсмические, тектонические активные зоны разломов. Из-за смещений

литосферных континентальных плит высота, например, Эвереста увели-

чивается на 2,5—5 см ежегодно.

197

Как уже отмечалось, температура ядра и мантии очень высокая — ты-

сячи градусов. Казалось бы, все вещества при такой температуре должны

находиться в расплавленном и даже газообразном состоянии. Однако

субъядро и мантия — твердые образования: вещество в них находится

под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо

выше, чем при нормальном давлении.

Как только давление ослабевает, твердые породы расплавляются. Об-

разуется жидкая раскаленная масса — магма. При перемещении вещест-

ва в земной коре возникают глубокие трещины с пониженным давлением,

где образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по

трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах она прорыва-

ется наружу. Так возникает вулканическое извержение. Вулкан — это

своеобразная природная домна, в которой плавится и выбрасывается на

поверхность много ценных химических соединений и металлов: железо,

свинец, олово, алюминий и т.п. Придет время, и человек будет использо-

вать такие богатства. В результате вулканической деятельности меняется

форма рельефа, гор, возникают острова и озера. Так образовалось, напри-

мер, в 1911 г. Сарезское озеро в самом центре Памира. Глядя на необык-

новенной красоты действующий вулкан Фудзияма (Япония), можно ска-

зать, что он обладает некой неземной притягательной силой.

Земная кора — сокровищница разнообразных полезных ископаемых:

каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минераль-

ных удобрений и т.д. Месторождения каменного угля сформировались в

те отдаленные времена, более 200 млн. лет назад, когда на Земле были

благоприятные условия для развития растительности. Этот период в гео-

логической истории нашей планеты называется каменноугольным. Во

влажном и жарком климате необычно разрасталась вечнозеленая расти-

тельность, из которой образовались торфяники, превратившиеся потом

под действием давления и высокой температуры земных недр в пласты

каменного угля. В этот период сформировались каменноугольные бас-

сейны Караганды, Донбасса и др.

Предполагается, что нефть также имеет органическое происхожде-

ние: она образовалась из погибших низших растений и животных орга-

низмов — водорослей, амеб, червей, личинок и т.д. Огромны запасы в не-

драх Земли горючих углеводородных газов, широко используемых как

топливо и природное сырье для производства многочисленных органиче-

ских материалов. Богата наша Земля и ископаемыми минеральными

удобрениями — «камнями плодородия». Главные среди них — минера-

лы, содержащие калий и фосфор — питательные вещества для растений.

При внесении их в почву повышаются урожаи зерновых, овощей, хлопка

и других культур.

198

Совокупность всех водных массивов земного шара — океанов, мо-

рей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных

покровов — образует гидросферу Земли. Часто под гидросферой подра-

зумеваются только океаны и моря. Действительно, больше всего воды со-

держится в Мировом океане, около 2 % ее — в ледниках. Много воды под

землей. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и

пресных озер, которой на Земле чрезвычайно мало — 0,001 % всего вод-

ного массива. Вот почему проблема сохранения водных ресурсов — одна

из важнейших.

Мировой океан — основная часть гидросферы. В течение года с по-

верхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 тыс. км3 воды.

Большая часть ее — около 90 % — затем выпадает в виде осадков над по-

верхностью океанов и морей, а остальная влага осаждается на суше и по-

том реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в лед-

никах. Такой непрерывный круговорот воды оказывает большое влияние

на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, нахо-

дясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше испа-

ряется воды, тем мягче климат. Различают континентальный и морской

климат. На территории с морским климатом сезонные колебания темпе-

ратуры значительно меньше, чем там, где преобладает континентальный

климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый се-

зон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и

поэтому охлаждает воздух, а зимой наоборот: теплая вода океана согрева-

ет холодный воздух. Причина этого явления — большая теплоемкость

воды. Основная доля солнечного тепла поглощается морями и океанами.

Ежедневно в любую погоду происходят морские приливы и отливы.

Наибольшие приливы наблюдаются в Англии в устье реки Северн (разни-

ца между уровнями воды при приливе и отливе составляет до 16,3 м).

Первое научное объяснение морских приливов дал Ньютон. Он доказал,

что приливы обусловливаются силой притяжения Луны. Приливы и отли-

вы происходят не только в водной оболочке Земли, но и в твердой, и в воз-

душной. Под действием сил притяжения Луны даже твердая оболочка на-

шей планеты дважды в сутки поднимается и опускается на несколько де-

сятков сантиметров.

Реки земного шара ежегодно сбрасывают в моря около 35 тыс. м

воды, причем наибольший сток — с Азиатского материка. Второе место

занимает Южная Америка — одна Амазонка выносит в океан десятую

часть воды всех рек планеты.

Важную роль в жизни людей и их хозяйственной деятельности игра-

ют атмосферные осадки. Однако распределение их наземном шаре весь-

ма неравномерно: в одних местах — избыток, а в других — недостаток.

Поэтому важно научиться управлять распределением осадков. Управлять

199

таким процессом все же удается, правда, в небольших масштабах, напри-

мер, при необходимости над территорией аэропорта или города «прояс-

нить погоду».

Ледяная оболочка планеты называется криосферой. Основная масса

льда — ледники; они разделяются на горные и покровные. Горные ледни-

ки — это, по существу, ледяные реки. Спускаясь вниз по склонам, они ве-

дут себя как реки: встречая широкое и ровное пространство, разливаются

по нему, а в узких ущельях движутся как горный поток. Правда, движение

горных ледников очень медленное. Огромные языки ледников спускают-

ся с высочайших вершин Гималаев, Тибета. Многие сибирские реки бе-

рут свое начало в ледниках Алтая и Саян.

Царство покровных ледников — арктический и антарктический пояса.

Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды,

постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров

растекается даже по поверхности моря — так рождаются плавучие ледя-

ные горы — айсберги (рис. 5.3). Особенно огромны ледниковые отложе-

ния в Антарктиде. Здесь поистине царство льдов, их площадь превышает

площадь всей Европы. Антарктида таит в себе много загадок. Когда-то

этот континент был покрыт вечнозеленой растительностью, о чем свиде-

тельствуют найденные здесь залежи каменного угля.

Знакомясь с ледяным царством на Земле, нельзя забывать и о его под-

земных владениях. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают

200

четверть суши. На территории нашей страны мерзлота несплошной поло-

сой тянется от побережья Ледовитого океана до Туруханска и Якутска, а

отдельные ее островки есть и южнее — у Иркутска, Красноярска, Читы,

на берегах Амура. Вечная мерзлота оказалась прекрасным холодильни-

ком: тысячелетия он работает так исправно, что сохранились трупы дав-

ным-давно погибших животных с мясом, кожей и шерстью. Когда ученые

познакомились с тем, что сохранила замерзшая северная земля, они при-

шли к выводу, что вечная мерзлота не вечна. Она образовалась около

100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение. Наступившее

потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под

слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере нашей страны оста-

лась навеки промерзшая земля.

Воздушную оболочку Земли образует атмосфера. Она, как одежда,

защищает днем поверхность Земли от обжигающих лучей Солнца, а но-

чью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас и от смер-

тельного космического излучения. Без воздушной оболочки Земля была

бы мертвой и безмолвной. Ведь все живое не может существовать без воз-

духа.

Многие мыслители древности считали воздух одним из главных эле-

ментов мироздания. Так, по мнению греческого философа Анаксимена

(VI в. до н.э.), воздух вездесущ и дает начало всем вещам. В XVII в. было

доказано, что воздух имеет массу. Теперь мы знаем, что чем ближе воздух

к поверхности планеты, тем он плотнее. Масса 1 м воздуха у земной по-

верхности составляет в среднем 1,293 кг. На высоте 10 км она снижается

до 400 г, а на сорокакилометровой высоте — до 4 г. Основные составляю-

щие атмосферы — азот (78 %) и кислород (21 %). Атмосфера, кроме того,

содержит в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водо-

род, озон, водяные пары и др.

Самая нижняя часть атмосферы — тропосфера — простирается до

8—10 км в полярных широтах и до 16—18 км в тропических широтах. В

тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы воздуха. В ней образуют-

ся облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому ее справедливо считают

«фабрикой» погоды. Следующий слой — стратосфера — находится

над тропосферой до высоты 50—55 км над земной поверхностью. Здесь

неизменно ясно и часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют

сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето,

есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и

стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами. По-

этому к изменению погоды причастна и стратосфера, иногда называемая

«кладовой» погоды.

Следующий слой атмосферы — ионосфера — начинается на высоте

от 50 км и ограничивается сверху магнитосферой — областью, где замет-

но проявляется магнитное поле Земли. Ионосфера состоит преимущест-

201

венно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать ко-

роткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В

ионосфере дуют ураганные ветры. Выше ионосферы, начиная с высоты

несколько сот километров над Землей, расположена экзосфера — зона

рассеяния атмосферы, из которой быстро движущиеся атомы водорода

могут вылетать в космическое пространство. Следы атмосферы обнару-

живаются и выше — на высоте более 10 тыс. км. До высоты 100—200 км

газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше — до

200—250 км — преобладает азот, затем — до 500—700 км — атомарный

кислород, а еще выше — гелий. У поверхности «воздушного океана» пре-

обладает самый легкий газ — водород.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытя-

нута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеоб-

разного хвоста — около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался

в результате давления солнечных лучей — солнечного ветра.

Деление атмосферы и земного шара на составные части весьма услов-

но. Нельзя провести резкую границу между отдельными частями, хотя ка-

ждая из них обладает вполне определенной спецификой. Все они тесно

взаимосвязаны друг с другом. Такая связь наиболее сильно проявляется

между верхней частью литосферы, гидросферы и нижней части атмосфе-

ры, которые образуют область активной жизни, называемую биосферой.

В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и

взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую сис-

тему. Термин «биосфера» впервые ввел в 1875 г. австрийский геолог

Э. Зюсс (1831—1914). Согласно учению В.И. Вернадского, биосфе-

ра — активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность жи-

вых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический

фактор планетарного масштаба и значения.

Земля вместе с атмосферой совершает один оборот вокруг Солнца за

один год. А Солнце вместе с большими и малыми планетами совершает

путешествие в загадочном космическом пространстве. Так и человек со-

вершает нескончаемое путешествие в уникальную страну знаний, при-

ближающих человечество к тайнам мироздания.

Контрольные вопросы

1. Что называется самоорганизацией?

2. Назовите основные направления исследования самоорганизации.

3. Каким условиям должен удовлетворять объект изучения синергетики?

4. Что такое точка бифуркации?

5. Назовите основные положения концепции развития.

6. Чем отличается самоорганизация от эволюции?

7. Охарактеризуйте основные концепции космологии.

8. Сформулируйте закон Хаббла.

9. Как определяется радиус космологического горизонта?

202

10. Что такое реликтовое излучение?

11. Каков предполагаемый механизм образования объектов Вселенной?

12. Что представляют собой черные дыры?

13. Какова структура Вселенной?

14. Что такое Метагалактика?

15. К какой галактике относится Солнечная система?

16. Какова особенность пульсаров?

17. Назовите основные виды галактик.

18. О чем свидетельствует рождение сверхновых звезд?

19. Приведите характеристики современных телескопов.

20. В каких диапазонах электромагнитных волн производится наблюдение объектов

Вселенной?

21. В чем заключается специфика астрономического наблюдения из космоса?

22. Какова структура Солнечной системы?

23. Дайте краткую характеристику современных гипотез о происхождении Солнечной

системы.

24. Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?

25. Какова мощность излучения Солнца?

26. Какие процессы происходят в недрах Солнца?

27. Как отличается по составу атмосфера Земли от атмосферы других планет земной

группы?

28. Приведите характерные параметры планет-гигантов.

29. В чем заключается современная гипотеза о происхождении Земли?

30. Каково строение Земли?

31. Что представляют собой литосферные плиты?

32. Дайте краткую характеристику гидросферы Земли.

33. Из каких слоев состоит атмосфера Земли?

6. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ

О ВЕЩЕСТВЕ