С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание

Известно, что самым распространенным элементом во Вселенной является водород. Второй по распространенности элемент – гелий (по числу атомов – 10% от распространенности водорода, по массе – до 30%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах – основное их количество распределено в межзвездном и межгалактическом пространстве. Водород и гелий в межзвездном пространстве находятся, в основном, в атомарном состоянии и служат «исходным сырьем» для образования звезд.

Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя плотность вещества в нашей Галактике – примерно 2-3 атома на 1 см³, но в отдельных областях эта плотность выше, т.е. наблюдаются флуктуации плотности, которые обусловлены хаотическим движением атомов в пространстве. Таким образом, плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. Если при этом количество вещества в данной области превосходит определенное критическое значение (приблизительно 1000 солнечных масс), то в этой области возникают сильные гравитационные поля, препятствующие разлету газо-пылевого облака – так называемой  глобулы, стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров, заставляя вещество падать к центру облака. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако. Имеются многочисленные данные, подтверждающие предположение, что звезды образуются при конденсации облаков межзвездной пыли и газа.

Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится зародышем будущей звезды - протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц переходит в тепло. В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. Дальнейшее сжатие протозвезды приводит к такому повышению температуры и давления, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Протозвезда «разгорается», становится настоящей звездой и «занимает свое место» на Главной Звездной последовательности. При этом силы тяготения, стремящиеся сжать вещество звезды, уравновешиваются силами внутреннего давления. Важную роль здесь играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, а если масса мала, то звезда оказывается в нижней её части.

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах.

Типичная звезда (подобная Солнцу) большую часть свой жизни медленно «перемещается» вдоль Главной последовательности, сжигая свой водород в термоядерной топке. Солнце, например, движется так уже 4,5 миллиарда лет, и будет оставаться на Главной последовательности еще примерно 5 миллиардов лет. Более массивные звезды эволюционируют намного быстрее.

Когда водород в центре звезды исчерпан, она сжимается, что приводит к увеличению температуры и началу другой термоядерной реакции – превращению гелия в углерод. При этом выделяется огромное количество энергии, и светимость звезды возрастает. Выделение энергии приводит к увеличению радиационного давления и, как следствие, к расширению внешних слоев звезды. В результате расширения вещество внешних слоев охлаждается, и излучение звезды становится все более красным, так что звезда резко смещается от главной последовательности. Расширение продолжается до тех пор, пока диаметр звезды не возрастет в 200-300 раз. Звезда при этом превращается в красного гиганта. Через пять с лишним миллиардов лет такая судьба ожидает Солнце. Вначале, все сильнее и сильнее разогреваясь, оно сожжет Землю, а затем, расширяясь, поглотит то, что от нее останется.

По достижении стадии красного гиганта звезда эволюционирует дальше, и ее положение на диаграмме Герцшпрунга - Рессела сдвигается влево. Примерно через 1% времени жизни звезды она пересекает Главную последовательность. Солнце, например, совершит этот путь приблизительно за  100 млн. лет. В этот период у большинства звезд нарушается динамическое равновесие, и они начинают пульсировать – периодически сжиматься и расширяться. Это – так называемые цефеиды.

После стадии красного гиганта судьба звезды в значительной степени определяется ее массой М (см. схему на рисунке 2).  Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного "топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,4 масс Солнца, постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остаётся маленький и горячий белый карлик. По образному выражению …белый карлик «вызревает» внутри красного гиганта. После того, как последние запасы белого карлика будут израсходованы, он быстро охлаждается, становясь красным, а затем черным карликом.

Только во время взрывов сверхновых во Вселенной происходит синтез элементов тяжелее железа – включая золото, платину, свинец и всех трансурановых. В ядрах звезд весь нуклеосинтез останавливается на железе, потому что дальнейшее утяжеление ядер в данных условиях энергетически невозможно – слишком высок потенциальный барьер, и энергии на его преодоление в ядрах звезд не хватает. Наличие тяжелых и сверхтяжелых элементов в Земной коре говорит о том, что наша Солнечная система – вторична или третична, и образовалась из газопылевой туманности на месте взрыва сверхновой звезды.

Масса ядра звезды к этому времени остается достаточно велика, поэтому гравитационные взаимодействия очень сильны. Кроме того, энергия взрыва Сверхновой, выделившаяся в результате синтеза сверхтяжелых элементов еще больше сжимает ядро – находящиеся в нем электроны приобретают огромные энергии и, преодолевая кулоновские, и, частично, сильные ядерные взаимодействия, буквально влипают в протоны. В результате образуются нейтроны, на которые не действуют электростатические силы отталкивания, и нейтроны под действием сил мощной гравитации еще больше сближаются. Образуется очень плотная упаковка вещества, состоящего практически из одних нейтронов. Для сравнения – столовая ложка такого вещества будет иметь массу, соизмеримую с массой Земли.

Эта «нейтронизация» вещества происходит за счет гравитационного коллапса, т.е. сверхмощного сжатия звезды. Нейтронные звезды пульсируют с малым периодом (около 0.001с), однако существуют нейтронные звезды с периодом пульсации порядка 1,4с. Они называются пульсарами. Типичным примером пульсара является нейтронная звезда в Крабовидной Туманности.
Черные дыры. При массах звезд от 2 до 10 М_С весьма возможна ситуация, когда после вспышки Сверхновой давление нейтронов уже не может предотвратить полный гравитационный коллапс. И когда скорость падения в поле тяжести такой звезды становится равной скорости света, гравитационный коллапс неизбежен, и звезда продолжает сжиматься до бесконечности (теоретически – до точечного размера). Для такой звезды существует понятие «гравитационного радиуса» r_g, соответствующему критическому размеру звезды. Сфера соответствующего радиуса называется сферой Шварцшильда (в честь немецкого ученого К. Шварцшильда). С точки зрения классической механики гравитационный радиус – это радиус такого тела, из поля тяжести которого не может вырваться свет. Для Земли такой гравитационный радиус равен 1см, для Солнца – 100м. Таким образом, когда звезда, сжимаясь, достигает критического размера, она перестает излучать, сохраняя способность притягивать («засасывать») все, что оказывается в поле ее тяготения. За это она и получила название «черная дыра».

Граница черной дыры – так называемый горизонт событий. Ничто, никакие материальные тела, никакая информация не может прорваться через него. Здесь происходит сильнейшее искривление пространства и замедление времени – вплоть до его остановки. Прогиб пространства здесь столь велик, что черные дыры порой рассматривают как дыры в пространстве-времени, являющиеся воротами в другие миры – другие Вселенные. Поскольку время при падении в дыру замедляется, оно становится бесконечным для стороннего наблюдателя, но конечным для падающего. То, что происходит после пересечения горизонта событий – уже находится вне времени – черная дыра – также дыра во времени.

Впервые существование во Вселенной объектов, обладающих таким полем тяготения, что ничто материальное не может вырваться из их плена, было предсказано еще в 1796 г. Лапласом. Однако вывод о существование черных дыр следует из ОТО

Теория черных дыр разработана в настоящее время достаточно подробно, однако базируется она на совсем ином фундаменте — квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно  квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно «свалиться» в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.

Здесь следует вернуться к Квантово-Полевой картине мира и сказать, чем, по современным представлениям, является физический, или квантовый вакуум. По нашим, обыденным, Ньютоновским представлениям, это просто пустота. Но это не так. Физический вакуум буквально нашпигован виртуальными частицами очень низких энергий – они рождаюся как правило парами, частица-античастица, и тут же исчезают, не нарушая при этом законы сохранения, потому что существуют они только один квант времени – и зафиксировать их поэтому невозможно. А по современным квантовым представлениям квантованы все физические величины – в том числе, пространство и время. Для времени квант составляет где-то около 10^-21 секунды. Возникающие из вакуума частицы-античастицы практически не успевают провзаимодействовать с веществом. Но, тем не менее, еще в середине 20 века было зафиксировано так называемое «дрожание» электрона при движении по орбите – электрон постоянно взаимодействует с возникающими из вакуума виртуальными частицами, и они заставляют его «дрожать». При наложении на вакуум сильных гравитационных или электромагнитных полей рождающиеся частицы приобретают энергию поля и становятся долгоживущими – нормальными частицами, способными нормально взаимодействовать с веществом.

Поэтому черные дыры не являются вечными – наблюдается эффект так называемого квантового испарения. За счет своей огромной гравитации черные дыры постоянно вызывают в окружающем их пространстве рождение частиц-античастиц с немалыми энергиями, которые разлетаются в разные стороны и уносят с собой энергию и вещество черной дыры. Черные дыры, таким образом, испаряются. Ничто в этом мире не вечно.

Можно ли обнаружить черные дыры – ведь они не испускают никакого излучения? Оказывается можно – косвенным путем. Выше уже говорилось о кратных звездных системах (двойных, тройных звездах). Если одним из компонентов тесной звездной системы является черная дыра, невидимая, но обладающая массой, она будет засасывать вещество звезды-спутника, действуя как «прожорливый вампир». Газовый диск вокруг черной дыры разогревается до десятков миллионов градусов Кельвина и становится исключительно мощным источником рентгеновского излучения. Это излучение и можно обнаружить, и оно действительно обнаруживается. Сейчас «подозреваемыми» на черные дыры являются объекты в созвездиях Лебедь, Стрелец, Скорпион и др. Общее же количество черных дыр во Вселенной должно быть очень большим (в одной нашей Галактике их может быть сотни миллионов). Предполагается, что черные дыры находятся в большом количестве в ядрах галактик.

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен.  В различных мифах, натурфилософских представлениях до нас дошли идеи о бесконечном пространстве и времени. Действительно, утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере, пустота. Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах 20-го века. Основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, ленинградский физик А.А. Фридман  пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных причин Вселенная  внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности) и стала стремительно расширяться.  Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10^-15 м. Ученик Фридмана Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель горячей  взрывающейся  Вселенной,  положив   начало   так называемой теории "Большого  взрыва".  Широкое распространение и внедрение эта теория получила с середины 1960-х годов.

Спрашивать о том, что было до «Большого Взрыва» и что находится за пределами стремительно расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории Большого Взрыва ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого. Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Вскоре, однако, астрономические наблюдения подтвердили факт расширения окружающего нас пространства: американский астроном Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной — что-то около 15 — 20  миллиардов лет. По современным данным – 14 млрд лет. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первые моменты протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества - кварки и антикварки. В течение той же доли секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны.  Как известно, антипротон отличается от протона противоположным зарядом,  а в остальном  эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которых обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции обратные реакции  аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон.  Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.

После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя  электроны. Так образовались атомы гелия и водорода.

Вселенная стала намного «просторнее». Ее размеры достигли нескольких млрд световых лет всего за несколько сотен тысяч лет. И это ничуть не противоречит СТО – предельности скорости света. Дело в том, что не Вселенная расширялась сама по себе, а пространство, которого ранее не было, развертывалось, и вселенная расширялась вместе с ним. Не было центра расширения, просто расстояния между двумя любыми точками пространства увеличивались. Но процесс развертывания пространства очень скоро прекратился, и сейчас мы наблюдаем его только на уровне скопления галактик. Даже размеры отдельных галактик уже не меняются, не говоря уже о размерах пространства у нас, на Земле. Но далекие скопления галактик продолжают разбегаться, о чем говорит немалая сейчас постоянная Хаббла (50-100 км/сек), и пространство на краю Видимой Вселенной продолжает расширяться.

Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того первичного излучения, предсказанного Г. Гамовым. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 14 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было.  Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли.  В местах таких уплотнений стали образовываться  галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Близка к Гамовской теории Большого Взрыва, или «горячей Вселенной» и модель «раздувающейся, или инфляционной Вселенной», отличающаяся описанием процессов в течение первых микроскопических долей секунды (10^-30 c) после начала расширения (см рис. 3).

Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения правеществе теория Большого Взрыва позволила рассчитать относительные концентрации (распространенность) водорода, дейтерия и более тяжелых химических элементов в природе, что также оказалось в согласии с результатами наблюдений.

В последнюю четверть двадцатого века теория Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии. Сейчас она считается доказанной. Существует масса ее вариаций, в том числе, инфляционная модель, которая все более и более становится общепринятой.

В соответствии с Инфляционной моделью, Большой взрыв был порождён флуктуацией вакуума, находящимся в особом состоянии, называемом ложным вакуумом или инфлатонным скалярным полем. Причина флуктуации — квантовые колебания, которые испытывает любой объект на квантовом уровне; вероятность крупной флуктуации низка, но отлична от нуля. В результате флуктуации вакуум вышел из состояния равновесия – возможно, в результате туннельного эффекта и перешёл в новое состояние — обычного физического вакуума - в новое состояние равновесия. Другая гипотеза флуктуации – переброс энергии через черные дыры, расположенные в других мирах, других Вселенных – ведь черные дыры фактически находятся вне пространства и времени.

В результате фазового перехода вакуума из одного состояния в другое произошло резкое расширение пространства и образовалось вещество — массивные частицы и излучение. При этом закон сохранения энергии не нарушился в том случае, если энергия частиц и излучения в точности равна отрицательной энергии гравитационного поля. По другой гипотезе энергия выделилась в результате перехода вакуума в состояние с меньшим энергетическим уровнем. Появление массы из «ничего» также не противоречит физическим законам, например, рождение пары частица-античастица из вакуума можно наблюдать и сейчас в некоторых научных экспериментах.

Предполагается, что в момент инфляционного расширения Вселенная была пустой и холодной и была сжата в точку, в которой существовал только возбужденный вакуум, а затем заполнилась горячим веществом, продолжавшим расширяться.

Некоторые физики допускают возможность множественности подобных событий, а значит и множественность вселенных, обладающих разными свойствами. Тот факт, что наша Вселенная приспособлена для образования жизни может объясняться случайностью — в «менее приспособленных» вселенных просто некому это анализировать

Действительно, свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант, и надо отметить, что интервал возможных значений этих фундаментальных констант, обеспечивающих нам мир, пригодный для жизни, очень мал.

Так, например, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной образовывались, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии (водорода и его соединений).

Если бы гравитационная постоянная была бы на несколько порядков меньше, то не возникло бы условий (достаточного сжатия протозвезды) для начала ядерных реакций в звездах.

Наконец, если бы первоначальная скорость расширения Вселенной была хотя бы на 0,1% меньше критической скорости расширения, то Вселенная расширилась бы лишь до трех миллионных долей своего нынешнего радиуса, после чего начала бы сжиматься.

Необходимо отметить, что сам факт Большого взрыва с высокой долей вероятности можно считать доказанным, но объяснения его причин и подробные описания того, как это происходило, а тем более множественность вселенных пока относятся к разряду гипотез.

Эволюция Земли делится на два этапа – раннюю – космическую, и геологическую историю. Граница между ними проходит 3,8–3,9 млрд лет назад.