Мегамир объектов вселенной

Основное содержание главы

Мегамир космических масштабов в качестве целостного объекта рассматривает космология — учение о мироздании. В одном из разделов этого учения — космогонии — развивается теория происхождения и эволюции небесных тел, их систем и Вселенной в целом. Основным экспериментальным методом в этой области естествознания является специально организованное наблюдение. Смена античной геоцентрической модели устройства Вселенной на гелиоцентрическую систему Коперника знаменовала становление классической парадигмы Вселенной. Современное естествознание рассматривает происхождение мегамира на основе процессов, происходящих на уровне микромира. Экстремально коперниковской точкой зрения является представление о мультиверсуме (множестве вселенных).

Историческая смена концепций Вселенной

Геоцентрическая модель мироустройства, представленная в трудах Платона, Аристотеля и Птолемея, лежала в основе в религиозной картины мира вплоть до эпохи Возрождения.

Рис. 66. Сферы Аристотеля

По мнению Аристотеля, в центре мира находится Земля, имеющая сферическую форму, поскольку эта форма является самой совершенной. Земля окружена водой, воздухом и, наконец, огнем. Затем идут сферы небесных светил: ближайшая сфера Луны и наиболее удаленная сфера неподвижных звезд (рис. 66). Сферы вращаются вокруг Земли вместе с помещенными на них светилами, которые описывают при этом вокруг Земли круглые орбиты — совершенные кривые. Область небесных светил заполнена эфиром и движение небесных светил осуществляется этим перводвигателем. В противоположность Земле, где все меняется, в небе все неизменно и совершенно. Космос не рожден и неуничтожим, он вечен. В этом Аристотель расходится со своим учителем Платоном, у которого Универсум — Вселенная создается творцом Демиургом. Демиург разделил сферы движения планет в пропорциональных отношениях, как.

½/¾/8/9/27. В этом выражается отношение радиусов орбит планет: Луны (1), Солнца (2), Венеры (3), Меркурия (4), Марса (8), Юпитера (9), Сатурна (27). Последняя сфера — сфера неподвижных звезд, которая занимает особое место среди остальных сфер [1].

Считалось, что законы перспективы указывают на то, что если бы Земля перемещалась внутри сферы неподвижных звезд, то созвездия, к которым она приближается, казались бы крупней, в то время как на противоположной стороне неба все созвездия выглядели бы уменьшенными. Отсутствие таких наблюдений объяснялось расположением Земли в центре мира (в действительности это объясняется тем, что расстояния от Земли до звезд очень велики). Для Аристотеля положение о том, что центр Земли совпадает с центром мира, очень важно, поскольку именно это являлось базой для его теории естественного и насильственного движения (см. п. 4.1).

В более поздней модели Птолемея небесные светила располагались на правильных сферах, так что ось вращения предыдущей сферы наклонно закреплялась на последующей. Кроме того, вводились эпициклы — дополнительные круговые движения планет. Сложение вращений, происходящих в разных плоскостях, давало качественно верпую картину небесных движений. В частности, оно объясняло попятные движения планет.

В эпоху Возрождения Николо Коперник обосновал гелиоцентрическую систему на целом ряде соображений в пользу движения Земли. В том числе он приводил и такой аргумент: «Гораздо более удивительным было бы, если бы в двадцать четыре часа поворачивалась такая громада мира, а не наименьшая его часть, которой является Земля» [1].

Основываясь на системе Коперника, Поган Кеплер установил первые научные законы в астрономии. Он обнаружил, что планеты движутся по эллипсам и что отношение квадратов периодов обращения равно отношению кубов средних радиусов орбит планет. В своем труде «Музыка сфер» он писал, что отношения периодов вращений планет подобны звукоряду гаммы. Гармоническое отношение (или золотое сечение) выполняется и для человека: фигура считается гармоничной, если отношение роста человека к расстоянию от поверхности ступни до талии равно 1,618. Таким образом, в духе своего времени Кеплер показал, что Всевышний обустроил мир в его единстве и по законам гармонии и красоты.

Объяснение взаимодействия планет в Солнечной системе было дано И. Ньютоном, сформулировавшим закон всемирного тяготения, отражающего единство всего материального мира. Ньютону Вселенная представлялась машиной огромного масштаба, однажды запущенной Творцом и неизменной в своем вращательном движении и объеме.

Классическая парадигма мироустройства была основана на данных астрономических наблюдений в том диапазоне электромагнитных излучений (ЭМИ), который воспринимает зрение человека, округленно от 0,4 мкм до 0,8 мкм. Если учесть то, что спектр ЭМИ необычайно широк, от гамма-лучей с длиной волны порядка 10~¹⁷ м до радиоволнового излучения с длиной волны, достигающей 1 км, то становятся очевидными ограниченность наблюдений в диапазоне видимого света и неполнота информации классической астрономии об окружающем мире.

Вплоть до 20-х годов прошлого столетия Вселенная отождествлялась с одной единственной Галактикой, в которой находится наша Солнечная система. Размеры Галактики оценивали в 100 000 световых лет (далее в тексте — св. л.). В рамках классической концепции объектами Вселенной являлись звезды, туманности, планеты, кометы, астероиды и более мелкие метеоры и метеориты. Физическая природа всех объектов, кроме туманностей, была более или менее ясной. Для исследования же подробностей строения туманностей не было технических возможностей, которые появились лишь после ввода в строй телескопов с оптически совершенными зеркалами более чем метрового размера.

В частности, в 1924 г. в США на высокогорной обсерватории «Маунт Вилсон» был сооружен телескоп с диаметром главного зеркала.

Рис. 67. «Камертон» Хаббла

2,5 м. Наблюдения, выполненные с помощью нового оборудования, позволили Эдвину Хабблу установить, что туманность в созвездии Андромеды имеет спиральную структуру и является галактикой, содержащей в своем составе сотни миллиардов звезд.

Постепенно выяснилось, что галактики имеют разнообразные формы — от шаровых, эллиптических, спиральных до спиральных с поперечной полосой. Первая классификация форм галактик дана Э. Хабблом (рис. 67).

Открытие других галактик имело революционное значение не только для астрономии, но и для всего естествознания в целом. Наша Галактика оказалась одной из множества других. И хотя мы лишены возможности взглянуть на нее со стороны, наличие Млечного Пути среди созвездий позволило определить ориентацию серединной плоскости нашей Галактики, а данные наблюдений с помощью радиотелескопов позволили признать, что по форме она отвечает спиральной конфигурации с пересечением (с баром).

Так Вселенная стала Метагалактикой, то есть более общей категорией. Сам горизонт человеческого восприятия окружающего мира скачком раздвинулся на новые гигантские космические расстояния. Достаточно сказать, что до туманности Андромеды свет распространяется в течение 2 млн 300 тыс. лет! Имя Эдвина Хаббла по праву должно стоять в ряду таких великих имен, как Галилео Галлилей, Николо Коперник и Джордано Бруно.

Необходимость смены парадигмы мироздания стала очевидной. Резонанс в общественном сознании был сравним с тем влиянием, которое оказало установление планетарной модели строения атома Э. Резерфордом.

И страшным, страшным креном К другим каким-нибудь Неведомым вселенным Повернут Млечный путь…

Такими словами выразил свои впечатления от открытия Хаббла русский поэт Борис Пастернак. Обратим внимание — здесь еще понятие «вселенная» используется как синоним понятия «галактика».

Вместе с тем стало ясно, что одних только оптических наблюдений будет недостаточно для исследования Вселенной как Метагалактики. По мере открытия высокоэнергетических космических излучений, начинают проводить эксперименты по их регистрации на высотных аэростатах, на поверхности Земли, в толще гор и под водой. Были открыты линии радиоизлучения водорода на длине волны 21 см, оксида углеродана длине волны 2,64 мм, гидроксила — на длине волны 18 см. Поэтому начинают строить радиотелескопы в виде гигантских радиоантенн.

После запуска первых искусственных спутников Земли, показавших возможность вывода научной аппаратуры в околоземный космос, начинается время запусков на орбиту телескопов, работающих в различных диапазонах длин волн. Первый запущенный рентгеновский телескоп носил символическое название «Ухуру» («Разведчик» на языке племени ирокезов). Небо в рентгеновских лучах оказалось совсем не похожим на привычную картину созвездий, хотя целый ряд источников оказался видим «во всех лучах», включая гамма-лучи.

Сравнительно недавно во Вселенной были обнаружены рентгеновские пульсары и барстеры, квазизвездные объекты — квазары. Вспышки сверхновых звезд теперь регистрируют сначала с помощью нейтринных детекторов и в рентгеновских лучах, затем, с опозданием до нескольких суток, наблюдается вспышка светового излучения. В настоящее время разрабатываются проекты спутниковых лазерных интерференционных гравитационных обсерваторий. Таким образом, современная астрономия становится всеволновой, а горизонт Вселенной отодвигается все дальше.

По каким причинам последнее обстоятельство очень важно для естествознания, мы рассмотрим ниже. Сейчас же отметим, что галактики не располагаются во Вселенной хаотически, а образуют локальные группы, или скопления.

Наша Галактика входит в Местную группу, членами которой являются также М31 (Андромеда), МЗЗ (Треугольник), галактики Большого Магелланового Облака и ряд других (всего около 25). Члены Местной группы разбросаны по пространству в пределах до 3 млн св. л. Центр масс группы расположен на одной трети расстояния от нашей галактики (ее название Млечный Путь) до галактики М31. Самые массивные галактики имеют относительно маломассивные галактики-спутники. Например, Большое Магелланово Облако является спутником нашей Галактики и совершает один оборот вокруг Млечного Пути за 2,5 млн лет.

С развитием компьютерной техники стала возможной обработка больших массивов информации о расположении галактик и их скоплений. В 1977 г. были опубликованы первые результаты компьютерного анализа положения более чем 1000 галактик в достаточно узком клине неба в.

Рис. 68. Расположение скоплений галактик

направлении созвездия Волосы Вероники. На экране компьютера получилась картина распределения, (рис. 68), которую позднее назвали ячеистой.

В начале 80-х гг. XX в. окончательно сложилась новая идея о том, что скопления галактик, в свою очередь, образуют ленты огромной пространственной сети. Средний размер ячейки (не содержащей звезд) такой трехмерной сети составляет примерно 330 млн св. л. (один световой год равен 9,510^|5м). Ячейки представляют собой «пузыри» пустого пространства, а Вселенная на самом грандиозном масштабном уровне напоминает «губку».

Открылась бездна, звезд полна.

Звездам числа нет, бездне — дна.

Так писал о ночном небе российский ученый-энциклопедист М. В. Ломоносов. Фактически в этой строфе выражена классическая парадигма устройства мсгамира. В ее рамках роль основных структурных единиц отведена звездам.

В современном естествознании основной единицей (или, скорее, строительным блоком) выступают галактики, несущие в себе от 10¹⁰ до 10¹² звезд типа нашего Солнца. К концу XX в. наши представления о Вселенной стали более структурированными и более полными, чем в начале.