Згідно з типовими навчальними планами загальноосвітніх навчальних закладів, у середній школі України поновлено ви­вчення астрономії як обов'язкового предмета інваріантної час­тини навчальних планів

1. 
   Розвиток космологічних уявлень: сферичний Всесвіт давни­
   ни, ньютонівський безмежний Всесвіт та його парадокси.
   
2. 
   Всесвіт, що розширюється, та докази його розширення.
   
3. 
   Основні етапи метричної та фізичної еволюції Всесвіту.
   
4. 
   Проблема походження Всесвіту в її взаємозв'язку зі ство­
   ренням єдиної теорії фізичних взаємодій.
   

До сказаного в розд. 2 додамо коментарі щодо фізичної ево­люції Всесвіту та деякі останні важливі результати, одержані в космології.

В основі уявлень про фізичну еволюцію Всесвіту лежить запропонований Г. А. Гамовим перехід від середньої густини енергії до середньої енергії окремої частинки, тобто до серед­ньої температури Всесвіту, яка в процесі розширення Всесвіту

130

зменшується, але раніше була дуже високою (модель гарячо­го Всесвіту). Якщо ця температура більша від певної характер­ної енергії, наприклад енергії спокою нуклонів (~1,3 ГеВ), то процеси утворення пари «нуклон та антинуклон» із двох гам-ма-квантів і зворотний процес анігіляції такої пари з утворен­ням двох гамма-квантів проходитимуть із практично однако­вою швидкістю й не змінюватимуть складу матерії у Всесвіті. А як тільки температура стане меншою від цієї енергії, то від­буватиметься лише процес анігіляції, який приводить до більш стійкого стану Всесвіту, що якісно змінить його фізичний стан. Крім того, характерними значеннями енергії є енергія спокою електронів, енергія зв'язку нуклонів в атомному ядрі, енергія йонізації атомів. Важливу роль відіграють також енергії, за яких відбуваються об'єднання фундаментальних взаємодій — електромагнітної та слабкої в електрослабку (~ 100 ГеВ), елек-трослабкої та сильної (~10¹⁰ ГеВ , так зване «велике об'єднан­ня») і, нарешті, їхнє об'єднання з гравітаційною взаємодією ( = 10¹⁹ ГеВ , це «супероб'єднання»). Розгляд цих та деяких ін­ших енергій і відповідних процесів приводить до певної послі­довності подій в еволюції Всесвіту та змін його фізичного стану, яка представлена на схемі на с. 196.

Важливою при цьому є проблема баріонної асиметрії Всесві­ту, тобто відповідь на питання про те, чому під час анігіляції ну­клонів та антинуклонів залишилася певна кількість нуклонів, із яких складаємося ми самі й увесь навколишній світ. Відпо­відь, на можливість якої вказав академік А. Д. Сахаров, поля­гає в певній незначній різниці швидкостей реакцій, що супро­воджують анігіляцію нуклонів і зворотний їй процес.

Ускладнює розуміння проблеми той факт, що в останні роки (починаючи з 1999 р.) завдяки новим спо­стережним даним відбуваються доволі істотні зміни в наших космологічних уявленнях. Протягом попередніх де­сятиріч спостерігалася велика невизначеність сталої Габбла f 50 с • Мпк • км"¹ < Н < 100 с • Мпк • км⁴ \ і навіть не можна було сказати, яка ж саме космологічна модель (відкрита чи закри­та) реалізується в нашому Всесвіті. Зараз стала Габбла визна­чається досить упевнено — 65 ±5 с-Мпккм"¹. Але головним і дуже несподіваним виявилося те, що для опису еволюції Все­світу знадобилася так звана двокомпонентна космологічна мо­дель, у якій суттєвий внесок у повну середню густину енергії

їзі

має робити фізичний вакуум (приблизно дві третини), а внесок «шилоподібної» речовини становить лише одну третину, при цьому внесок енергії спостережної речовини галактик сягає ли­ше кількох процентів. Це встановлено шляхом виконання спе­ціальних програм спостережень наднових зір у далеких галак­тиках та іншими незалежними методами.

Космологія останніх десятиліть підійшла до розгляду про­цесів у ранньому Всесвіті, настільки малому й гарячому, що він має бути об'єктом водночас і гравітуючим, і квантовим. З'яви­лися можливості пояснити походження нашого Всесвіту і по­ряд із ним ще багатьох інших всесвітів з одного всеосяжного са-мопоновлюваного квантового Всесвіту.

_т

Відкритий Всесвіт; космологія; стадія речовини матерії; космологіч­ний принцип; стадія випромінювання; гравітаційний парадокс; за­критий Всесвіт; фотометричний парадокс; інфляційна стадія; парадокс теплової смерті Всесвіту; реліктове випромінювання; симетрія; фі­зичний вакуум.

Відповіді на тести та вправи з підручника «Астрономія-11»

16.1. Г. 16.2. Д. 16.3. Г. 16.4. Г. 16.5. Г.

6. 
   У закритому Всесвіті тільки з речовиною розширення
   зміниться збіганням галактик — такий світ може пуль­
   сувати.
   
7. 
   Відкритий Всесвіт існуватиме завжди, розширюючись, він
   згодом перетвориться на суміш елементарних частинок.
   

6. 
   Розширення Всесвіту почалося з Великого Вибуху.
   

6. 
   Про те, що Всесвіт справді на початку розширення після
   Великого Вибуху мав дуже високу температуру.
   

10. 
    326млнр.
    
11. 
    20 000 км/с.
    

16.13. Ні, бо для цього треба одержати спектр галактики.

Додаткові тести та вправи й відповіді на них

16.1. Чому астрономи, спостерігаючи в телескоп за далекими галактиками, бачать минуле Всесвіту? А. Бо астрономи почали користуватись телескопами тіль­ки в XVII ст. Б. Бо далекі галактики ми спостерігаємо ще

132

до того моменту, як там утворились зорі. В. Бо швидкість світла 300 000 км/с є обмеженою величиною, тому від да­леких галактик надходить до Землі інформація тільки че­рез мільярди років після їхнього утворення. Г. Бо сучас­ний стан Всесвіту побачать тільки далекі наші нащадки. Д. Бо інформація про сучасний стан Всесвіту поглинаєть­ся чорними дірами. Відповідь. В; Г.

16.2. Що означає в астрономії термін «реліктове випроміню­
вання»?

А. Загадкове випромінювання. Б. Електромагнітні хви­лі, які утворились в еру випромінювання, ще до виник­нення зір і галактик. В. Випромінювання, від якого за­гинули реліктові тварини. Г. Випромінювання, від якого загинули реліктові рослини папороті. Д. Нейтринне випромінювання.

16.3. У чому полягає основна відмінність між евклідовою та не-

А. Евклідову геометрію вивчають у школі, а неевклідо-ву — в університеті. Б. Евклідову геометрію застосовують у планіметрії, а неевклідову — у стереометрії. В. Евклі­дову геометрію використовують для вимірювання площі квадратів, а неевклідову — для вимірювання площі кола. Г. Евклідову геометрію використовують для вимірювання відстаней до планет, а неевклідову — для визначення від­станей до галактик. Д. В евклідовій геометрії сума кутів у трикутнику дорівнює 180° , а в неевклідовій сума кутів у трикутнику може бути більшою або меншою від 180° .

16.4. Чи справедлива в нашому Всесвіті геометрія Евкліда?

А. Під час вимірювання відстаней до планет і зір геоме­трія Евкліда виконується. Б. Не виконується, якщо гус­тина енергії не дорівнює критичній густині. В. Не викону­ється, бо не вдається обчислити точне значення числа к. Г. Не виконується, бо невідомий об'єм Всесвіту. Д. Не ви­конується, бо Всесвіт стискується.

Відповідь. А; Б.

ЇЗЗ

16.5. Чим квазари відрізняються від галактик?

А. Квазари мають світність у мільйони разів меншу, ніж галактики. Б. Квазари — це космічні об'єкти, з яких утво­рюються галактики. В. Квазари — це космічні об'єкти, у які перетворюються галактики. Г. Квазари знаходять­ся в ядрі нашої Галактики. Д. Квазари — це велетенські чорні діри. Відповідь. Б.

16.6. Чим відрізняється в еволюції Всесвіту ера випромінюван­

А. В еру випромінювання Всесвіт не розширювався, а стис­кувався. Б. В еру випромінювання ще не утворились еле­ментарні частинки — електрони та протони. В. Наприкін­ці ери випромінювання енергія електромагнітних хвиль стає меншою від енергії речовини. Г. В еру випромінюван­ня ще не утворились атоми, зорі й галактики. Д. На почат­ку ери речовини електромагнітне випромінювання відді­ляється від речовини. Відповідь. В; Г.

16.7. Коли утворилась наша Галактика?

А. 10¹⁰ років тому. Б. 10⁸ років тому. В. 10¹¹ років тому. Г. 10⁶ років тому. Д. 2000 років тому. Відповідь. А.

16.8. Чи можуть астрономи побачити зараз у Всесвіті утворення
молодих галактик?

А. Не можуть, бо молоді галактики утворюються в іншо­му вимірі. Б. Не можуть, бо галактики зараз не утворю­ються. В. Зараз можна побачити молоді галактики, що утворились 10 млрд років тому. Г. Можуть, бо під час спалахів наднових зір утворюються молоді галактики. Д. Не можуть, бо молоді галактики знаходяться в чор­них дірах. Відповідь. В.

16.9. За яких умов Всесвіт може існувати вічно?

А. Всесвіт існує вічно в будь-якому разі, бо в ньому пере­важний внесок у середню густину енергії робить енергія фізичного вакууму. Б. Якщо середня густина Всесвіту до­рівнює критичному значенню. В. Якщо середня густина Всесвіту більша від критичного значення. Г. Якщо серед-

134

g-BANOHL

Розробки окремих уроків

ня густина Всесвіту менша за критичне значення. Д. Як­що Всесвіт є замкненою системою. Відповідь. А.

16.10. Коли утворилась Сонячна система?

А. 6-Ю⁸ років тому. Б. 5-Ю¹⁰ років тому. В. 5-Ю⁹ років тому. Г. 10¹¹ років тому. Д. 10¹⁰ років тому. Відповідь. В.

16.11. Чому утворення важких хімічних елементів не відбува­
лось спочатку в молодому Всесвіті, а відбувається тепер
у надрах зір?

Відповідь. У молодому Всесвіті ще не утворились зорі, у надрах яких існують необхідні умови для термоядерних реакцій — високі температура та тиск.

16.12. Якоюєдовжинаелектромагнітниххвильфоновоговипро-

16.13. Як у закритому Всесвіті можна спростувати фотометрич­

16.14. Чи можуть існувати паралельні світи?

УРОК 17

1. 
   Умови, необхідні для виникнення й розвитку життя.
   
2. 
   Коротка історія та сучасний стан проблеми SETI.
   

3. 
   Методи та результати пошуку позасонячних планет.
   
4. 
   Антропний принцип.
   

Цей урок має надзвичайно важливе значення. Він є заключ­ним не лише для предмета «Астрономія», а певною мірою й для всього природничого циклу.

Життя на сучасному етапі вивчення цього феномена можна визначити як високорозвинену форму організації та руху ма­терії на основі високомолекулярних полімерних сполук на ба­зі вуглецю, які є відкритими системами, що обмінюються з на­вколишнім середовищем речовиною, енергією та інформацією. Оскільки енергії дисоціації та йонізації молекул співвіднос­ні із середніми значеннями енергії фотонів у випромінюванні зір спектральних класів від F до К, то життя може виникати й розвиватися тільки поблизу таких зір. Найбільш сприятли­вим для розвитку й перебігу біохімічних процесів є водне се­редовище, оскільки вода є хорошим розчинником, бо має дуже високе значення діелектричної сталої. Тому найбільш: імовір­ним і, мабуть, єдиним місцем у Всесвіті, де може виникнути й розвиватися життя, є поверхневі оболонки планет навколо вищевказаних типів зір, на поверхнях яких (планет) може до­статньо довго існувати рідка вода. Отже, це мають бути плане­ти земного типу: вони мусять мати в достатній кількості важкі елементи, насамперед Карбон та Оксиген, і розташовуватися на такій відстані від своєї зорі, щоб тепловий режим поверхні та атмосферний тиск дозволяли існувати рідкій воді. Походжен­ня життя на Землі ще не можна вважати повністю з'ясованим. Основною проблемою тут є пояснення виникнення генетичного коду, який зумовлює механізм спадковості й у той же час умож­ливлює еволюцію форм життя шляхом мутацій та природного відбору.

З огляду на сказане доцільно, щоб учні згадали фізичні умо­ви на планетах Сонячної системи та спробували відповісти на питання про можливість існування життя в нашій планетній системі не лише на Землі. Є ще деяка ймовірність знайти про­сті форми життя на Марсі, хоча інколи розглядається й можли­вість цього, скажімо, під льодяною корою супутника Юпітера Європи, де передбачається існування шару рідкої води.

136

g-BANOHL

Розробки окремих уроків

Що ж до існування життя у Всесвіті в цілому, і насамперед у нашій Галактиці, то астрономічний аспект проблеми зводить­ся, у першу чергу, до питання про існування та властивості поза-сонячних планетних систем (або екзопланет). В останні два де­сятиліття тут досягнуто значного прогресу. Виявлення методом Доплера періодичних коливань у променевих швидкостях зір унаслідок їхнього руху навколо загального центра мас системи дозволило знайти близько 250 зір, які мають принаймні по од­ній планеті, і декілька зір із двома-трьома планетами. Щоправ­да, чутливість методу (яка вже досягає 10 м/с) дозволяє поки що виявляти лише планети з масою Юпітера та Сатурна й на відстанях близько однієї астрономічної одиниці. Знаходжен­ня планет типу планет-гігантів на таких відстанях само по собі створює певну проблему. Але головне те, що теоретичне припу­щення про значну поширеність планетних систем у Галакти­ці підтверджується спостереженнями. Є спостережні дані і про протопланетні утворення, що перебувають у стані формування планетної системи (наприклад, у Веги).

Але найбільший інтерес викликає проблема розумного жит­тя поза Землею, проблема існування позаземних цивілізацій. Протягом тисячоліть це було предметом дискусій на загаль-нофілософському рівні, часом досить гострих (згадаймо лише про долю Дж. Бруно). Тільки в другій половині XX століття ця проблема набула статусу науково-технічної. Це відбулося піс­ля виходу в 1959 р. роботи Д. Кокконі та Ф. Моррісона, у якій вони запропонували шукати сигнали позаземних цивіліза­цій у радіодіапазоні на довжині хвилі випромінювання водню в 21 см, і здійснення першого проекту такого пошуку Ф. Дрей-ком у 1961 р. Відтоді реалізовано десятки таких проектів у різ­них країнах. Але досить швидко з'ясувалося, що питання треба ставити значно ширше: перейти від проблеми СЕТІ (від англій­ського «зв'язок із позаземним розумом») до проблеми SETI — «дослідження та пошук позаземного розуму».

Постали надзвичайно цікаві, але водночас дуже складні пи­тання. Що таке життя взагалі та розумове життя зокрема і які його ознаки; якими є особливості та шляхи розвитку різних ци­вілізацій; які канали міжзоряного зв'язку найбільш ефектив­ні; чи є можливості встановлення контактів між різними циві­лізаціями, які наслідки можуть мати для нашої цивілізації такі контакти? Відповіді на ці запитання потребують зусиль цілої

137

g-BANOHL

Розділ II

низки наук — астрономії, радіофізики, інформатики, біології, історії, соціології, лінгвістики. У міждисциплінарному харак­тері проблеми SETI, у необхідності поєднання в ній методів і ре­зультатів природничих, технічних і суспільних наук уже зараз полягає її загальнолюдське значення. Ця проблема змушує по­дивитися на нашу земну спільноту немовби збоку. А це особли­во важливо в час глобальних екологічних криз, у час, коли люд­ство та його перетворювальна діяльність стають чинником не тільки планетарного, але й космічного значення.

Комплексний характер проблеми SETI наочно підкреслює формула Дрейка, що дає оцінку можливої кількості цивіліза­цій у Галактиці:

де N_c —кількість цивілізацій, N_s —кількість зір у Галактиці, р₁ — імовірність існування планет в окремої зорі, р₂ — імовір­ність виникнення життя на одній із цих планет, р₃ — імовір­ність виникнення цивілізації на основі біосфери цієї планети, р_А — імовірність розвитку цієї цивілізації до такого техноло­гічного рівня, коли стануть можливими її контакти з іншими цивілізаціями, T_t — час існування цивілізації на цьому рівні, T_g — вік Галактики. Перші два множники й частково третій, а також знаменник визначають астрономічний аспект пробле­ми SETI, третій і четвертий пов'язані з її біологічним аспектом, а четвертий (частково), п'ятий та шостий множники обумовлю­ють соціологічну складову цієї проблеми.

Зараз більш-менш (принаймні за порядком) відомими є зна­чення величин, пов'язаних саме з астрономією. Це N_s -410¹¹; 0,5 <^ <1, T_g ~10 млрд років. Інші множники та значення T_t оцінюються як так звані суб'єктивні ймовірності, за які прав­лять усереднені значення експертних оцінок фахівців у відпо­відних галузях знання. Це, врешті-решт, приводить до оцінки можливої кількості цивілізацій у нашій Галактиці десь близь­ко 1 млн. Ця кількість не така вже й велика, бо відповідно до неї середня відстань між цивілізаціями дорівнює приблизно 1 Кпк. А останнє й визначає складність завдання їх пошуку й виявлен­ня. Трапляються й більш оптимістичні, і більш песимістичні оцінки кількості цивілізацій.

У межах проблеми власне пошуку позаземних цивілізацій (ПЦ) було введено поняття «простір пошуку», координатами

138

g-BANOHL

g-BANOHL

Розробки окремих уроків

в якому є напрямок на ПЦ, потужність та частота радіосигналів від неї, бо радіодіапазон є найбільш вигідним із точки зору рів­ня завад. Основні зусилля в технічному плані докладаються до створення можливості прийому та аналізу сигналів одночасно в якомога ширшому інтервалі частот.

Слід відзначити, що в дослідження цивілізаційного етапу розвитку Всесвіту, загальних рис різних цивілізацій та мож­ливих відмінностей між ними, можливих наслідків контактів між людством і ПЦ певний внесок робить наукова фантастика. Особливо варто при цьому згадати таких її визнаних майстрів, як російські письменники І. А. Єфремов («Туманність Андро-меди», «Лезо бритви») і брати А. Н. та Б. Н. Стругацькі («Важ­ко бути богом», «Пікнік на узбіччі», «Жук у мурашнику»), польський письменник Ст. Лем («Непереможний», «Солярис», «Сума технологій», «Огляд на місці»), американські фантасти А. Азімов («Космічні течії») і Р. Бредбері («Марсіанські хроні­ки»). Використання ситуацій, описаних у згаданих і багатьох інших творах науково-фантастичної літератури, може зробити обговорення питань, так чи інакше пов'язаних із проблемати­кою цього уроку, дуже цікавим.

Що ж стосується антропного принципу, то до сказаного в розділі 1 додамо ще таке. Велику увагу антропний принцип привернув до себе після виходу в 1976 р. роботи англійсько­го астрофізика Б. Картера. Але міркування щодо цього прин­ципу висловлювалися ще в 50—60-ті роки минулого століття радянськими астрономами А. Л. Зельмановим і Г. М. Ідлісом. А. Л. Зельманову належить образний вислів, який розкриває суть антропного принципу: «Ми є свідками саме таких про­цесів у нашому світі, свідками яких ми є, тому що в інших світах усі процеси відбуваються без свідків». Зауважимо та­кож, що сама назва «антропний принцип» не є, як на нашу думку, дуже вдалою, бо вона ніби підштовхує до так званого сильного антропного принципу, за яким властивості нашого Всесвіту саме такі, якими вони є, тому що в ньому мала ви­никнути людина. А для такого твердження ніяких об'єктив­них підстав нема.

_Т

Органічне життя; позасонячні планети; розумне життя; антроп­ний принцип; цивілізація; проблема SETI; космічна еволюція; синергетика.

139

Відповіді на тести та вправи з підручника «Астрономія-11»

5. 
   Після катастрофи змінюються умови на поверхні, тому ги­
   нуть старі форми життя та з'являються нові види живих
   істот. Після катастрофи 65 млн років тому загинули ди­
   нозаври, але вижили інші види живих організмів. Після
   льодовикового періоду на Землі з'явились розумні люди.
   
6. 
   Навколо багатьох зір виявлено планетні системи, тому іс­
   нує ймовірність виникнення та еволюції життя на інших
   планетних системах.
   
7. 
   Якщо швидкість космічного корабля навіть дещо переви­
   щить величини третьої космічної та він вилетить за межі
   Сонячної системи, тривалість польоту до найближчих зір
   становитиме сотні тисяч років.
   
8. 
   Сучасні радіотелескопи дають можливість приймати елек­
   тромагнітні хвилі, що випромінюють земні радіостанції,
   на відстані 100 св. р. Отже, якщо на такій відстані знахо­
   диться цивілізація з рівнем інтелекту, як у землян, то ми
   могли б обмінюватись з ними інформацією. Але, на жаль,
   тривалість таких космічних переговорів сягатиме сотні
   років.
   
9. 
   Під терміном «звичайне життя» ми розуміємо земні фор­
   ми живих істот, у яких інформація записується й пере­
   дається нащадкам за допомогою ДНК. Основою ланцюгів
   ДНК є Карбон. Існує гіпотеза, що життя може існувати на
   основі Силіцію. Але це малоймовірно, бо Силіцій не утво­
   рює великих полімерних молекул.