Физические основы естествознания

Естественнонаучная картина мира. Вселенная. Метагалактика. Галактика

Полная естественнонаучная картина мира создается всей совокупностью естественных наук, поэтому в рамках данного краткого вводного курса возможен разговор лишь о базовых понятиях, структурах и взаимодействиях.

Вселенная — это весь мир, безграничный во времени и пространстве. Доступна изучению астрономическими средствами только часть Вселенной. Эта часть обычно называется Метагалактикой. Разумеется, по мере развития науки и техники доступные изучению пределы непрерывно расширяются. Исторически совсем недавно, еще в XVII в. астрономия ограничивалась изучением окрестностей только одной звезды — Солнца, т. е. она изучала нашу планетную систему. Диаметр этой системы — около 10 млрд км, свет проходит за 10 ч.

Только в 1930;х гг. удалось установить размеры и основные черты строения нашей Галактики, в которую входит Солнце. Поперечник Галактики приблизительно 30 000 парсек, т. е. около 100 000 световых лет:

1 парсек (пк) = 3,26 светового года = 3,08 • 10¹⁶ м.

В Галактику входит более 100 млрд звезд и расположены они не хаотически по всему пространству, а в слое диска толщиной в несколько сотен парсек, следовательно, толщина диска намного меньше его диаметра.

Солнце находится в диске Галактики на расстоянии около 10 000 пк от его центра.

Диск Галактики медленно вращается вокруг своей оси. Время одного оборота около 200 млн лет, так что за время своего существования Галактика совершила всего несколько десятков оборотов вокруг своей оси.

Средний возраст галактик приблизительно 10 млрд лет. В Метагалактике находится не менее 100 млн галактик.

Все галактики Э. Хаббл разбил на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Эллиптическую форму имеют многие галактики. У самых крупных из них поперечник сравним с диаметром нашей Галактики, но таких гигантских эллиптических галактик сравнительно немного. Чаще встречаются так называемые карликовые эллиптические галактики с размером в поперечнике около 2000 пк, содержащие несколько миллионов звезд.

Спиральные галактики — сильно сплюснутые системы гораздо большей яркости, чем широко распространенные карликовые эллиптические галактики. К спиральным относится и наша Галактика.

Примерами неправильных галактик являются Магеллановы Облака, у которых отсутствует центральное ядро и плоскость симметрии вращения. Около четверти всех галактик — неправильные (оценка Э. Хаббла).

Общее число звезд в Метагалактике — более Ю²⁰.

Пространственная структура Вселенной отнюдь не представляет собой какую-то застывшую, статичную картину. Вселенная расширяется. В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл показал, что скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. Скорости разлета могут достигать огромных величин. Так, можно указать источник, расположенный на расстоянии 5—6 млрд световых лет, удаляющийся от нас со скоростью около половины скорости света.

Факт разлета галактик подтверждается знаменитым «красным смещением», происходящим вследствие известного в физике эффекта Доплера. Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся не на своих местах, а сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Возрастание длин волн обусловлено именно удалением источников. Эффект Доплера известен каждому, кто слушал, как меняется тон гудка проходящего поезда при приближении к нам, а затем при удалении от нас.

Отметим интересную особенность: разбегание галактик происходит не только относительно Земли. Из любой точки Вселенной далекие галактики будут видны удаляющимися от этой точки. Экстраполяция расширяющейся Вселенной в обратную временную сторону приводит к выводу, что все началось с большого взрыва около 15 млрд лет назад, что и считают возрастом Вселенной, а точнее, возрастом Метагалактики. Здесь такая тонкость: отождествлять возраст Метагалактики и всей Вселенной рано, потому что есть гипотеза о существовании нескольких Метагалактик, расположенных на некоторых расстояниях друг от друга. Хотя эта гипотеза и ничем не подтверждена, но и опровергнуть ее тоже нельзя.

Анализ наблюдаемой картины позволяет сделать вывод, что исходная материя имела, по крайней мере, ядерную плотность порядка 10¹⁵— 10¹⁸ г/см³ и высокую температуру. Более или менее надежно можно описывать поведение вещества, начиная примерно с 0,01 с от момента взрыва. Дальнейшая экстраполяция в прошлое требует уточнения физических законов.

В первые несколько минут развития мира образовались простейшие атомные ядра — водорода, дейтерия, гелия. Через несколько миллионов лет непрерывного расширения вещество остыло до температуры 4000 К, и произошла рекомбинация, т. е. соединение электронов с атомными ядрами и образование, таким образом, первых нейтральных атомов.

Газ продолжал остывать и, двигаясь по инерции с имевшимися случайными скоростями, одни элементы газа стали сталкиваться с другими, образуя комки, масса которых порядка массы скопления галактик. Из этих комков затем оформились и отдельные галактики.

Теория расширяющейся Вселенной в настоящее время не является единственной. В 2003 г. профессором физического факультета МГУ Ю. М. Лоскутовым предложен иной подход к задаче об эволюции Вселенной, основанный на анализе не геометрических характеристик, как определяющих, а физических характеристик материи (под которой понимается вещество во всех его формах), заполняющей Вселенную, и на новом, физически обоснованном, уравнении состояния вещества (гипотеза об однородности и изотропности Вселенной была при этом сохранена) (см.: Вестник Московского университета. Серия Физика. Астрономия. 2003. № 6. С. 3). Такой подход приводит к периодически пульсирующей Вселенной между состояниями с минимальной и максимальной плотностью ее вещества. Период пульсаций определяется минимальной плотностью вещества.

Если в соответствии с наблюдениями принять, что минимальная плотность вещества во Вселенной близка к значению (4—5) • 10~³⁰ г/ см³, то полный период эволюции между состояниями с одинаковой, например, максимальной или минимальной плотностью, окажется порядка 30—32 млрд лет. Максимальная плотность вещества достигает значения 10⁶⁶ г/см³. Современный возраст Вселенной при отсчете времени от состояния с максимальной плотностью составит около 14—15 млрд лет. Получается, что если расширение еще не сменилось сжатием, то до конца расширения осталось по космологическим масштабам не так много времени.

В целом картина эволюции в предложенной модели выглядит следующим образом. В моменты начала и конца процессов расширения и сжатия абсолютная температура во Вселенной оказывается строго равной нулю. Примерно через 5 • 10^-30 с после начала расширения температура повысится до величины порядка 10²⁵ К, и плотность излучения намного превысит плотность массивного вещества. Процессы аннигиляции электронов и позитронов завершатся к моменту времени порядка 10″⁷ с, температура при этом упадет до примерно 10¹⁰ градусов. Спустя 10 000 лет температура опустится до значения около 20 000 градусов и начнутся процессы рекомбинации (образования) атомов водорода. В принципе, пользуясь всем арсеналом физики, можно оценить процентное содержание во Вселенной образующихся водорода, гелия, углерода и пр. на текущий момент (об этом можно прочесть, например, в книге С. Вайнберга «Гравитация и космология». М., 1975). Как ни удивительно, но получаемые теоретические оценки вполне удовлетворительно согласуются с наблюдениями.