Взаимосвязь энтропии и информации в обществе

От остальной живой природы человек отличается тем, что обладает способностью мыслить, получать и обмениваться информацией. По термодинамическому закону информация и эн­тропия взаимосвязаны:

Энег. = Амин./ТЫ©,

где Т - температура, 8_нег.=-Б.

Чем большей информацией обладает организм, тем больше он понижает свою энтропию, следовательно, повышает энтропию окружающей среды. Читая этот научный труд, вы полу­чаете некоторую информацию, то есть совершаете при этом умственную работу, выделяя больше тепла, энтропии, чем в состоянии безделья. Правда, в энтропийных единицах плата за информацию мала и составляет 2,5"10^-24 кал/град. В этом смысле написание всех книг, созданных за всю историю человечества, увеличило энтропию Вселенной меньше, чем один вскипевший чайник.

Возможно, эта энтропийная «экономность» информации и объясняет столь значительный научный прогресс человечест­ва: по данным социологов, каждые 10-15 лет удваивается число реферативных журналов, число научных работников, что харак­теризует рост объема полученной научной информации.

Использование полученной информации (в частности, в здравоохранении) позволяет человеку уменьшить темп нараста­ния энтропии (dS/dt) в организме, то есть отдалить процессы старения и смерти. В настоящее время из-за увеличения про­должительности жизни и уменьшения смертности кривая миро­вого прироста населения приближается к экспоненциальной зависимости, обнаруженной Больцманом, то есть S = KlnW.

Значит, при возможности полностью преодолеть увели­чение энтропии организма (AS=0) мы приходим к постоянному во времени значению W, что практически означает бессмертие человеческой особи и экспоненциальный прирост населения во времени. Таким образом, и процесс регулирования прироста населения мы вынуждены увязывать с наличием энтропии.

В конце еще раз хочется подтвердить важность законов термодинамики для человеческого общества. Согласно одной из древнейших религий мира - индуизму, - все в мире определяет триединое божество: Вишну - бог всего сущего, Шива - уничто­жающий материальный космос и Брахма - создающий все фор­мы жизни. Трудно не заметить, что основные постулаты термо­динамики соответствуют этим реалиям:

=> Закон сохранения энергии - Закон существования,

=> Второе начало - Закон гибели,

=> Принцип минимума диссипации - Закон жизни.

Экономическое развитие общества тесно связано с по­треблением все возрастающих количеств энергии. В завершив­шимся столетии население мира возросло втрое, а использова­ние энергии - десятикратно. И это, безусловно, не временная тенденция.

Основной источник производимой людьми энергии — ми­неральное сырье, главным образом уголь и нефть. Следует, однако, иметь в виду, что ресурсы ископаемого топлива неуклон­но истощаются. Это заставляет нас думать о повышении эффек­тивности их использования. С другой стороны, необходимость

защиты окружающей среды стимулирует усилия, направленные к созданию экологически чистых источников энергии и разработке усовершенствованных технологий использования традиционного сырья.

Все вышесказанное относится к макромиру. В микромире, мире элементарных частиц, и мегамире - мире космоса -при движении с огромными скоростями при искривлениях про­странства и замедлении времени рассмотренные выше законо­мерности могут нарушаться. Рассмотрим же как шло формиро­вание макро- и мегамира, возникновение неживой и живой мате­рии на бесконечных пространствах Вселенной и в Солнечной системе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Расскажите о развитии представлений о пространстве и времени.

2. чем суть идей Ньютона об «абсолютном» пространстве и времени?

3. Какие экспериментальные факты опровергли идеи «абсолют­ного» пространства и времени?

4. Какова роль А. Эйнштейна в разрешении проблемы простран­ства и времени?

5. Какую величину имеет скорость света?

6. Приведите уравнение, связывающее массу и энергию.

7. Приведите два основных следствия из теории относительно­сти.

8. Каково значение открытий физики ХХ в. для жизни человече­ского общества?

9. Каковы координаты пространства?

10. Каковы координаты времени? Может ли время течь вспять?

11. Дайте определения реального, перцептуального и концепту­ального пространства и времени.

12. Какие науки изучают концептуальное пространство и время?

13. Как решаются проблемы пространства и времени в физиче­ских и химических системах?

14. Как решаются проблемы пространства и времени в биологи­ческих системах?

15. Дайте определение понятий «энергия» и «энтропия».

16. Перечислите виды энергии. Какие виды энергии непосредст­венно использует человек?

17. Как связаны масса и энергия?

18. Поясните выражение «энтропия - это мера рассеянной энер­гии».

19. Поясните выражение «энтропия - это мера беспорядка в системе».

20. Как изменяется энтропия в системе для самопроизвольных процессов?

21. Что понимают под информационной энтропией?

22. Каково соотношение энтропийного и энтальпийного факторов процесса?

23. Возможна ли «тепловая смерть» Вселенной?

24. В чем проявляется различие открытых и закрытых систем?

25. Как называются материальные структуры, способные рас­сеивать энергию?

26. Как происходит процесс самоорганизации в открытых систе­мах?

27. Что изучает синергетика?

28. На основе каких химических реакций И.Р. Пригожин заложил основы нелинейной термодинамики?

29. Возможна ли самоорганизация в неорганических системах?

30. Каковы условия самоорганизации систем?

31. Как связана энтропия с информацией?

32. Каково проявление энтропии в человеческом обществе?

Глава 3

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

По вечерам в небе загораются звезды. В ясную погоду невооруженным глазом их можно насчитать на небосводе до трех тысяч. Но это лишь очень небольшая часть тех звезд и других космических объектов, которые существуют в нашей области мира...

В безлунные ночи хорошо виден Млечный путь, протянувшийся от одной стороны горизонта до другой. Он кажется скоплением светящихся туманных масс. Но стоит направить на Млечный путь телескоп, и мы сразу обнаружим, что он состоит из множества звезд. Эта звездная система, к которой принадлежит и наше Солнце, получила название Галактики. Нам она кажется звездной полосой. Но если бы можно было взглянуть на нее откуда-то со стороны, из мирового пространства, мы увидели бы, что она напоминает сплюснутый шар, заполненный 150 миллиардами звезд. размеры нашей галактики около 40000 парсеков, толщина в центральной части около 5000 парсеков. Наше Солнце находится на расстоянии 8000 парсеков от центра Галактики и движется со скоростью около 300 км/сек.

Изучать нашу Галактику необычайно сложно. Это одна из труднейших задач науки. Ведь мы находимся внутри этой Галактики и не можем ни вылететь за ее пределы (чтобы взглянуть на нее со стороны), ни побывать в различных ее точках. Тем не менее наука преодолевает эти трудности. Тщательно и всесторонне ученые исследуют электромагнитные излучения, приходящие из различных районов Галактики. Но нередко космические события не удается исследовать непосредственно; тогда на помощь астрономам приходит теория. Она связывает воедино результаты многочисленных наблюдений, обобщает их, находит в них определенные закономерности и таким образом восстанавливает недостающие в наших знаниях звенья космических процессов. Вселенная имеет гигантские размеры, а это означает, что для изучения ее объектов необходимо применять другие единицы измерения, отличные от единиц измерения на Земле. Для измерений в космическом пространстве используют:

- световой год, который соответствует расстоянию, которое пройдет свет за один год;

- астрономическая единица - соответствует радиусу орбиты Земли (1 а.е. равна 1,49610¹¹ км)

- парсек (параллакс-секунда), соответствует расстоянию, с которого радиус земной орбиты виден под углом 1 секунда. Под таким углом однокопеечная монета видна с расстояния 3 км. Самая ближняя звезда от Солнца - это Проксима Центавра находится на расстоянии 1,3 парсека или 4,1 ^.1 0¹³ км.

Средняя плотность галактик в наблюдаемой части. Вселенной составляет около 3 на 1 кубический миллион парсеков. Типичная скорость движения галактик около 1 000 км/сек. Для прохождения расстояния до ближайшей соседки требуется около миллиарда лет. Отсюда видно, что за время существования Вселенной каждая галактика могла испытать по меньшей мере одно столкновение с другой галактикой.

Сегодня мы уже достаточно уверенно можем говорить о том, как же выглядит наш звездный остров. В центре его находится ядро, окруженное множеством звезд. Диаметр ядра около 9 градусов, линейные размеры - около 4000 световых лет. От ядра отходит несколько могучих спиральных ветвей... Наша Галактика столь велика, что ее размеры нелегко себе представить: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 1 00 тысяч земных лет.

Большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тысяч световых лет 8000 парсеков) от центра Галактики расположено наше Солнце.

Несмотря на то, что Млечный путь представляется нам весьма «густой» звездной системой, в действительности звезды в Галактике расположены довольно редко. Так, в окрестностях Солнца среднее расстояние между двумя ближайшими звездами приблизительно в 1 0 миллионов раз превосходит их собственные поперечники.

Основное «население» Галактики - звезды. Мир этих небесных тел необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды -раскаленные газовые шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, напри­мер, звезды гиганты и сверхгиганты. По своей величине они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема нашего дневного светила в 1 4 миллиардов раз. Если бы эту громадную звезду можно было поместить на место Солнца, в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет

- Марса, Юпитера, даже Сатурна - оказались бы внутри этого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны.

Но в то же время звезды не слишком сильно отличаются друг от друга по количеству вещества. Минимально возможная масса звезды - около одной десятой массы Солнца, максимально - несколько десятков солнечных масс. Такие ограничения отнюдь не случайны: источником энергии звезд являются термоядерные реакции, протекающие в их недрах. Как известно, для подобных реакций необходимы чрезвычайно высокие температуры - порядка нескольких десятков миллионов градусов. При небольшой массе давление и температура в недрах небесного тела окажутся недостаточными для поддержания термоядерного процесса, и такое тело не будет звездой. Наоборот, звезда с чересчур большой массой неизбежно окажется неустойчивой - она не сможет существовать длительное время.

Но если сто солнечных масс распределить по объему уже знакомой нам звезды-сверхгиганта из созвездия Цефея, то плотность вещества окажется весьма незначительной. И действительно, звезды-гиганты и сверхгиганты необычайно разрежены. Плотность их вещества в тысячи, даже в десятки тысяч раз меньше плотности того воздуха, которым мы дышим.

Звезды обладают различными поверхностными температурами: от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды - с температурой около 3-4 тысяч градусов

- красноватого цвета. Наше Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6 тысяч градусов, обладает желто-зеленым цветом. Самые горячие звезды с температурой, превосходящей 10-12 тысяч градусов, -белые и голубоватые.

Хотя звезды и весьма разнообразны, их можно разделить на классы однотипных объектов, которые обладают сходными путями развития. Самый «населенный» класс - так называемая главная последовательность звезд, к которой принадлежит и наше Солнце. В эволюции этих звезд ученые выделяют длительный период устойчивого состояния, когда реакция в их недрах протекала без особых колебаний и физические характеристики почти не менялись.

Вообще следует заметить, что большинство звезд развивается очень и очень медленно (с точки зрения земных масштабов времени). Поэтому особый интерес для астрономов представляют так называемые переменные звезды, физические параметры которых меняются за сравнительно короткие промежутки времени. К числу таких звезд относятся цефеиды -звезды, которые то разгораются, то затухают. Как показали исследования, подобные колебания блеска связаны с пульсацией этих звезд: они то сжимаются, то «раздуваются».

Один из самых грандиозных физических процессов во Вселенной - вспышки так называемых новых и сверхновых звезд. Название это не совсем удачно. В действительности звезда существует и до вспышки. Но в какой-то момент под действием бурных физических процессов такая звезда неожиданно увеличивается в объеме, «раздувается», сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет чудовищную энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав свои ресурсы, эта звезда постепенно тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

Одна из таких туманностей, получившая за свою характерную форму название Крабовидной, образовалась на месте вспышки знаменитой сверхновой звезды, замеченной астрономами в 1 054 г. Крабовидная туманность - мощный источник космического радиоизлучения. А это значит, что внутри нее происходят интенсивные физические процессы.

Наше Солнце - «одинокая» звезда. Она лишена подобных себе горячих спутников. Но во Вселенной есть двойные, тройные и более сложные звездные системы, члены которых связаны друг с другом силами взаимного притяжения и обращаются вокруг общего центра масс. Некоторые скопления содержат десятки, сотни и тысячи звезд. А число звезд в больших шаровых скоплениях достигает даже сотен тысяч.

Межзвездное пространство тоже не пусто. Оно заполнено газовыми и пылевыми частицами, которые в некоторых местах образуют гигантские облака - туманности, светлые и темные.

Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью -около 250 километров в секунду - несется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 миллионов лет.

Ближайшие к нашей Галактике звездные системы удалены от нас на расстояние около 1 50 тысяч световых лет. Они видны на небе Южного полушария как маленькие туманные пятнышки. Впервые эти внегалактические туманности были подробно описаны спутником и биографом Магеллана Пигафеттой во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю науки под названием Магеллановых облаков -Большого и Малого.

Научные исследования последних лет, в частности радиоастрономические, показали, что Магеллановы облака -это своеобразные спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра. А поскольку в этой «тройной системе» наша Галактика по своей массе наибольшая, то Магеллановы облака можно считать ее спутниками.

На расстоянии около 2 миллионов световых лет от нас находится хорошо известная теперь многим туманность Андромеды. По своему строению она напоминает нашу Галактику, но значительно превосходит ее своими размерами. По-видимому, это одна из самых больших галактик в нашей области Вселенной. Туманность Андромеды можно наблюдать даже в обычный бинокль, а при благоприятных условиях - и невооруженным глазом. Но то, что мы видим, лишь центральная часть туманности: действительные ее размеры гораздо больше видимой части. Подобно нашей Галактике, галактика Андромеды имеет спутников - две эллиптические туманности, состоящие из огромного количества звезд.

Туманность Андромеды вместе с нашей Галактикой и другими соседними звездными системами образует так называемую Местную систему галактик. В ее состав входит 1 6 галактик, а поперечник ее равен 2 миллионам световых лет. Исследования показывают, что звездные острова, галактики -

типичные объекты Вселенной. Астрономам теперь известно великое множество галактик во всех участках небесной сферы.

Галактики имеют разнообразную форму и строение. Есть галактики шаровые и эллиптические, галактики в форме диска, спиралевидные, подобно нашей, наконец, галактики неправильной формы. В «наблюдаемой Вселенной», т.е. в области, доступной современным средствам астрономических исследований, насчитываются миллиарды галактик. Их совокупность ученые назвали Метагалактикой.

Картина Вселенной, которую мы нарисовали на основе современных астрономических данных, несколько напоминает моментальную фотографию, на которой запечатлено взаимное расположение различных космических объектов. Но Вселенная -это вовсе не простая совокупность небесных тел, в ней постоянно происходят чрезвычайно сложные и многообразные физические процессы.

И именно с этой точки зрения изучение Вселенной представляет наибольший интерес для современного естествознания. Космос - бесконечно разнообразная лаборатория, где можно изучать такие состояния материи, такие физические условия и процессы, которые недостижимы у нас на Земле.

Стремительный прогресс науки и техники в период научно-технической революции, современниками которой мы являемся, ведет ко все новым и новым открытиям, все более глубокому проникновению в самые сокровенные тайны природы, дальнейшему познанию фундаментальных законов мироздания. И Вселенная в наше время становится все более важным источником уникальной информации о явлениях природы.

Еще в первой четверти текущего столетия ученые представляли себе Вселенную как нечто неизменное, стационарное, не меняющее своих основных свойств. Однако в 1922 г. советский математик А.А. Фридман, решая уравнения теории относительности А. Эйнштейна, пришел к выводу, что материя в нашей области Вселенной должна либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Астрономы, в свою очередь, обнаружили в спектрах излучения звездных островов -галактик - «красное смещение» спектральных линий. Это смещение тем сильнее, чем дальше находится от нас та или иная галактика. Это смещение основано на «эффекте Доплера».

Суть эффекта Допплера состоит в том, что при удалении от нас какого-либо источника излучения воспринимаемая нами частота колебаний излучения должна уменьшаться, а длина волны - соответственно увеличиваться. Когда же источник излучения приближается, наблюдается обратное явление. Если источник излучает свет, то при его удалении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. А если он приближается, то будет наблюдаться «фиолетовое смещение». Вполне естественно, что ученые связали с этим эффектом Допплера и красное смещение, которое они наблюдали в спектрах галактик.

При этом открылась совершенно необычная картина движения гигантских космических объектов во Вселенной. Получалось, что галактики разбегаются от нас во всех направлениях, и, чем дальше находится та или иная галактика, тем с большей скоростью она движется. Происходит общее расширение Метагалактики, которое совершается таким образом, что скорость взаимного удаления двух звездных систем тем выше, чем больше расстояние между ними.

Итак, мы живем в расширяющейся Вселенной, и это обстоятельство имеет важнейшее значение. Если бы галактики не разбегались, а оставались неподвижными или сближались, то плотность излучения в Метагалактике была бы столь высока, что жизнь в этих условиях была бы совершенно невозможна.

Картину взаимного разбегания галактик можно мысленно обернуть вспять, и тогда мы придем к выводу, что в отдаленном прошлом, около 1 8 миллиардов лет назад, материя находилась в ином состоянии, нежели в нашу эпоху. Тогда не было еще ни звезд, ни планет, ни туманностей, ни галактик. Вся материя была сосредоточена в очень плотном компактном сгустке горячей плазмы - смеси элементарных частиц вещества и излучения. Затем произошел взрыв этого сгустка и началось его расширение, в процессе которого образовались сначала атомы, а затем звезды, галактики и все другие космические объекты.

Так возникла теория расширяющейся Вселенной - одна из наиболее впечатляющих научных теорий XX столетия. Представления о неизменной стационарной Вселенной уступили место новым представлениям о Вселенной, меняющейся с течением времени. Это был новый, чрезвычайно важный шаг в познании свойств окружающего нас мира. Дальнейшие

исследования показали, что различные нестационарные явления вообще играют важную роль в современной Вселенной.

В 1946-1947 гг. академик В.А. Амбарцумян обнаружил особые звездные скопления, получившие название звездных ассоциаций. Это группы горячих голубых и белых звезд, отличающиеся значительной неустойчивостью. Такие скопления постепенно распадаются, а звезды, входящие в их состав, довольно быстро перемешиваются с окружающими звездами Галактики. Подсчеты показывают, что для полного распада звездных ассоциаций достаточно 2-3 миллионов лет. Это значит, что звезды, входящие в состав любой ассоциации, -молодые звезды. Если бы они образовались, скажем, 6 миллионов лет назад, ассоциация давно бы распалась. Следовательно, наблюдаемые нами сегодня звездные ассоциации состоят из молодых звезд. Тем самым был установлен фундаментальный факт - звезды могут возникать и в нашу эпоху.

Дальнейшее изучение звездных ассоциаций помогло обнаружить еще одно чрезвычайно интересное явление. Оказалось, что звезды, входящие в состав этих скоплений, обладают радиальными скоростями: они как бы «разбегаются» от общего центра (или нескольких центров) во все стороны. Это напоминает разброс осколков взорвавшегося тела.

В.А. Амбарцумян выдвинул смелую гипотезу: звезды в ассоциациях возникают в результате распада на части какого-то центрального сверхплотного тела - протозвезды. Наблюдать протозвезду мы не можем, так как, будучи мощным аккумулятором энергии, она свою энергию не излучает. Но когда из дозвездной материи образуются звезды, сигналы их удается зарегистрировать.

Вопрос о происхождении звезд и других космических объектов чрезвычайно сложен, и гипотеза академика Амбарцумяна о путях возникновения звезд и звездных систем не единственная. Большой популярностью среди астрономов пользуется представление о том, что звезды образуются в результате сгущения, или конденсации, облаков космического газа и пыли.

Какая из этих гипотез более справедлива - покажут будущие исследования. Но важно отметить одно весьма существенное обстоятельство: и гипотеза конденсации, и

гипотеза распада исходят из предположения о том, что звездная форма материи образуется из объектов хотя и иной физической природы, но также вполне материальных. В одном случае это рассеянные газ и пыль, в другом - сверхплотные сгустки дозвездного вещества.

Если идея академика Амбарцумяна о дозвездной материи пока носит гипотетический характер, то обнаруженную им нестационарность космических объектов и их систем можно считать доказанной. В частности, изучение многочисленных скоплений галактик показало, что неустойчивые системы есть и в мире галактик. Эти скопления, подобно звездным ассоциациям, находятся в состоянии быстрого расширения и распада. Создается впечатление, что в нашу эпоху не только звезды, но и, по-видимому, галактики образуются из сгустков дозвездной материи.

Несколько лет назад в результате радиоастрономических наблюдений было обнаружено, что из ядра нашей Галактики происходит непрерывное истечение водорода. За год выбрасывается масса водорода, примерно в полтора раза превосходящая массу Солнца. Но наша Галактика существует около 15-17 миллиардов лет. Значит, за это время из ее ядра было выброшено 25 миллиардов солнечных масс. И есть основания предполагать, что в ту эпоху, когда наша Галактика была молода и богата энергией, этот процесс шел гораздо более бурно.

На подобную мысль наводят явления, наблюдаемые в ядрах некоторых других галактик.

Так, в 1 963 г. американский астрофизик А. Сэндедж завершил работу по изучению движения газа в сравнительно близкой к нам галактике М-82. Ученый пришел к выводу: характер этого движения указывает на то, что приблизительно полтора миллиона лет назад из ядра галактики М-82 произошел выброс газовых масс, в миллион с лишним раз превосходящих массу Солнца. Согласно подсчетам, этот взрыв был эквивалентен взрыву термоядерного заряда с массой, равной массе 15 тысяч солнц.

Многочисленные факты такого рода не оставляют сомнений в том, что ядра галактик играют чрезвычайно важную роль в развитии звездных систем и их составных частей. Не исключена возможность, что они являются своеобразными центрами формирования космических тел. Вероятно, здесь происходит переход материи из одной формы в другую. Но такие переходы должны сопровождаться преобразованиями огромных количеств энергии. Поэтому можно предположить, что галактические ядра -могучие аккумуляторы энергии, способные выделять ее при определенных условиях. Весьма вероятно, что в этом случае мы столкнулись с еще неизвестным науке видом энергии, изучение которого в дальнейшем сможет пролить свет на «скрытые пружины» многих космических процессов.

В частности, активные процессы, происходящие в ядрах некоторых галактик, видимо, являются основными поставщиками энергии, обеспечивающей интенсивное радиоизлучение многих звездных островов.

Нельзя не сказать еще об одном знаменательном открытии в космосе. В 1 963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границах наблюдаемой Вселенной, были обнаружены удивительные объекты, получившие впоследствии название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечники их составляют около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд.

К числу необычных объектов Вселенной относятся и так называемые пульсары - источники периодических радиоимпульсов, следующих друг за другом со строгой периодичностью, которая может соперничать со специально созданными в лабораториях атомными и молекулярными эталонами времени. Какова природа пульсара? В ответе на этот вопрос пока нет единого мнения. Часть ученых склоняется к мысли, что источником «пульсирования», вероятнее всего, являются вращающиеся нейтронные звезды.

До недавнего времени астрономы считали, что окружающая нас Вселенная населена звездами, туманностями и планетами. Предполагалось, что именно из этих объектов состоит каждая галактика. Однако в последнее время в ходе астрономических наблюдений мы столкнулись с явлениями совершенно нового типа - квазарами и ядрами галактик. Таким образом, впервые за 3 тысячи лет астрономы начали исследовать принципиально новые объекты, и не исключена возможность, что эти исследования могут привести к открытию новых физических законов.

Каково же место необычных объектов Вселенной в ряду других космических объектов и явлений? Что это -своеобразные исключения или закономерные этапы развития материи?

Сравним две галактики. Одна - спиральная - излучает энергию главным образом в виде световых лучей, другая -неправильной формы и с очень мощным радиоизлучением. Существует ли между ними какая-либо родственная связь?

Тщательное сопоставление радиогалактик с обычными показало, что по своему строению и оптическим свойствам они не представляют собой ничего исключительного. Для любой радиогалактики можно найти похожую на нее «нормальную» галактику, которая отличается только отсутствием радиоизлучения. Это, видимо, говорит о том, что способность излучать мощные потоки радиоволн возникает лишь на некоторой стадии эволюции галактик того или иного типа. Следовательно, интенсивное радиоизлучение - своеобразное «возрастное» явление, которое характерно только для определенного этапа в развитии звездных систем.

Еще сравнительно недавно в астрономии господствовали эволюционные представления, которые являлись прямым продолжением идей классической физики. Развитие рассматривалось как медленный 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 снова сгущаются в звезды и т.д. Однако новые объекты свидетельствуют о том, что существенное значение для развития материи в наблюдаемой области Вселенной, видимо, имеют нестационарные, в частности взрывные, процессы.

Можно предполагать, что нестационарные явления представляют собой своеобразные «поворотные пункты» в развитии космических объектов, где совершаются переходы материи из одного качественного состояния в другое, возникают новые небесные тела.

В какой же связи находятся нестационарные, в частности взрывные, процессы с расширением Метагалактики?

Согласно гипотезе В.А. Амбарцумяна, которая находит все больше подтверждений в астрономических наблюдениях, не исключена возможность, что исходным пунктом развития космических объектов являются изолированные сверхмассивные компактные дозвездные тела. Они в определенные моменты своей эволюции переходят в активное состояние и испускают огромные количества энергии. Весьма вероятно, что эти гипотетические дозвездные тела представляют собой сгустки первоначального сверхплотного вещества Метагалактики, которые по тем или иным причинам на протяжении определенного времени находились в устойчивом состоянии.

Разумеется, вопрос о возникновении различных космических объектов и физической природе нестационарных явлений в космосе еще окончательно не решен. Над решением его астрономам придется еще немало поработать. В частности, одна из самых животрепещущих проблем современной физики и астрофизики состоит в том, чтобы выяснить природу дозвездной материи (если она существует), а также установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Метагалактики.

Несмотря на это, уже сейчас ясно, что и первоначальный плазменный сгусток, и то, из чего он образовался, были особыми формами существования материи. Некоторые ученые считают, что первоначальный сгусток возник из вакуума. Вакуум, который физика XIX столетия считала пустотой, в действительности представляет собой своеобразную форму материи, способную при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения закона сохранения материи и движения.

И еще один очень интересный вопрос, связанный с изучением Вселенной, - геометрические свойства пространства, его конечность или бесконечность. Эту проблему пытались решить еще великие философы древности. Они исходили, казалось бы, из сравнительно простых и на первый взгляд неопровержимых логических соображений.

Представим себе, говорили они, что у Вселенной есть край, и человек достиг этого края. Однако стоит ему только вытянуть руку, и она окажется за границей Вселенной. Тем самым рамки мира раздвигаются еще на некоторое расстояние. Тогда можно будет приблизиться к новой границе и повторить ту же операцию еще раз. И так без конца. Значит, Вселенная не может иметь границ. «Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела»,- писал римский философ-материалист Лукреций Кар (I в. до н.э.) в своей поэме «О природе вещей».

И действительно, если необычайно трудно, почти невозможно представить себе пространство, которое в любом направлении простирается безгранично, то еще труднее представить себе обратное - что у Вселенной где-то существует край, есть предел, граница. Ведь в таком случае действительно возникает вполне естественный вопрос: а что находится дальше?

Однако весь опыт познания природы убедительно доказывает, что «наглядность» - весьма ненадежный советчик при решении научных вопросов. На протяжении истории науки представления о геометрических свойствах пространства менялись не раз. Аристотель и Птолемей ограничивали Вселенную «сферой неподвижных звезд», классическая физика Ньютона, наоборот, приходила к выводу о бесконечности Вселенной. И лишь с возникновением теории относительности А. Эйнштейна появилась возможность более глубоко разобраться в существе этой проблемы. Если физика Ньютона рассматривала пространство как простое вместилище небесных тел, то Л. Эйнштейну удалось вскрыть тесную связь между геометрией пространства и материей.

...Рассказывают, что однажды какой-то газетный репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть теории относительности в одной фразе и притом таким образом, чтобы это было понятно широкой публике. Подумав несколько секунд, ученый ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Любое тело не просто находится в пространстве, но определяет его геометрические свойства. Вблизи тел пространство искривляется. Благодаря этому лучи света распространяются во Вселенной не по прямым, а по изогнутым линиям. В повседневной жизни такую особенность мы практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими расстояниями. Однако при космических масштабах искривленность пространства приобретает существенное значение.

Таким образом, пространство, в котором мы живем, искривлено. А в искривленном мире «неограниченность» и «бесконечность» - не одно и то же. Оказывается, неограниченное пространство, т.е. пространство, не имеющее «края», границы, в то же время может быть конечным, как бы замкнутым в себе. В качестве примера можно привести поверхность шара. Площадь этой поверхности всегда имеет конечную величину. В то же время, продвигаясь по ней, мы никогда не достигнем ее границы. Следовательно, она неограниченна.

Таким образом, в принципе возможен случай, когда пространство неограниченно (т.е. не имеет предела, границы) и в то же время конечно (т.е. объем его выражается конечным числом).

Что касается пространства Вселенной, то его неограниченность не вызывает сомнения. Мир - это материя, а материя не может иметь границ в том смысле, что за материальным миром может располагаться нечто нематериальное. И это, разумеется, принципиальный философский вопрос - вопрос о материальном единстве мира. А если говорить о бесконечности или конечности той области материального мира, в которой мы живем, - Метагалактики (астрономы часто называют ее «наблюдаемой», или «астрономической» Вселенной), то в этом случае проблема бесконечности приобретает уже не философский, а чисто естественно-научный характер.

Изучая Вселенную, астрономы на основе данных наблюдений строят все более сложные и все более точные модели, способные описать и объяснить все большее число космических явлений. Однако любая такая теоретическая модель - это не сама Вселенная, а только ее приближенное описание, которое по мере развития науки становится все более глубоким и все более близким к реальной действительности.

Современные средства астрономических наблюдений -мощные телескопы и радиотелескопы - охватывают огромную область пространства радиусом около 12 миллиардов световых лет. Как мы уже отмечали, до одной из ближайших к нам галактик - туманности Андромеды - световой луч бежит 2 миллиона лет. А ведь огромный путь от Солнца до окраинной планеты Солнечной системы - Плутона - свет преодолевает всего за пять с половиной часов. Таковы скромные размеры планетной семьи Солнца на фоне гигантских масштабов Метагалактики.

Но и «солнечная семья» - очень сложная система со своими законами движения, со своими еще не раскрытыми тайнами. О том, что она собой представляет, что о ней известно людям, о последних данных, полученных в результате ее изучения, мы расскажем далее.

Теория, рассматривающая физические процессы, происходящие на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после «начала», называется теорией «горячей Вселенной». Согласно этой теории ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель «элементарных частиц», в котором, как считают большинство исследователей космоса, Вселенная была не только очень горячей, но и очень плотной. Так, расчеты показывают, что в момент времени t = 10^-35 с до начала Большого взрыва при температуре Т = 10²⁶ К плотность вещества была около 10¹ кг/м ³, а плотность вакуума - 10⁷⁷ кг/м ³ (этот вакуум называют «ложным»). Современная физика достаточно хорошо представляет состояние вещества при очень высоких температурах и давлениях. Эти представления опираются на хорошо разработанную теорию высокотемпературной плазмы и подтверждены экспериментами в ускорителях заряженных частиц. Температура вещества есть мера средней кинетической энергии частиц. Так, температура 10¹⁰ К соответствует энергии частиц 1 МэВ (1 эВ = 1,610^-19 Дж). Современные ускорители позволяют исследовать частицы с энергиями порядка 1 0¹¹ эВ, что соответствует средней энергии частиц в веществе при температуре 10¹⁵ К. Зная температуру можно рассчитать момент времени, которому соответствует эта температура с начала расширения по формуле:

T = 10¹⁰/(t)^1/2 , где время выражается в сек, температура в К.

Зная время события можно рассчитать плотность вещества при этой температуре:

ρ=5·10⁸/t² плотность измеряется в кг/м³,

Началом работы этого гигантского ускорителя был Большой взрыв. Этот термин часто используют космологи. Наблюдаемый разлёт галактик - следствие Большого взрыва. Это был астрономический взрыв, качественно отличающийся от каких-либо химических взрывов. Главное отличие заключается в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений, которая существует между давлением во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде. Эта разность давлений создаёт силу, которая придаёт ускорение частицам заряда взрывающегося вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В отличие от химического, астрономический взрыв не начался из определённого центра (и потом стал распространяться на всё большие области пространства), а произошёл сразу во всём существующем тогда пространстве. Это трудно себе представить, так как «всё пространство» могло быть или конечным (в случае замкнутого мира), или бесконечным (в случае открытого мира). В ходе Большого взрыва беспрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляция) разнообразных частиц. Эти процессы во многом предопределили всю последующую эволюцию Вселенной и создали необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни.

Развитие процессов после взрыва разделено на несколько периодов (каждый период получил название эра). Каждая эра имеет своё название: эра адронов, эра лептонов, эра фотонов (или эра радиации) и эра вещества.

Эра адронов длилась примерно от t = 10^-6 до t = 10^-4 сек. О том, что творилось в эту эру, можно судить по температуре (Т = 10¹² К) и плотности (порядка 10¹⁷ кг/м³). Атомов химических элементов, конечно, не было. Но уже существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны, нейтрино различных видов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а также античастицы всех частиц (антипротоны, антинейтроны, антимюоны, позитроны, антинейтрино соответствующих типов). Существовало и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось в термодинамическом равновесии с веществом.

Плотность такова, что нейтрино, способные проникать без рассеяния через свинцовые бруски, существуют вместе со всеми частицами и фотонами благодаря быстрым столкновениям с ними и друг с другом. Температура такова, что частицы так же, как фотоны и нейтрино ведут себя просто как много разных сортов излучения. Плотность энергии этих излучений колоссальна: эквивалентна плотности массы в 3,8 миллиарда раз больше плотности воды при нормальных условиях (подразумевается, что данная энергия перешла в массу согласно формуле Эйнштейна Е = тс²). Число частиц и античастиц вещества в единице объёма равно числу находившихся там фотонов. Главным процессом адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов. Нуклоны и антинуклоны объединены под названием адроны (от греческого hadros - большой, сильный). Если бы в единице объёма содержалось одинаковое количество нуклонов и антинуклонов, то в результате аннигиляции все эти частицы исчезли бы, и мир стал бы совсем иным. Но нуклонов всегда несколько больше, чем антинуклонов.

Эра лептонов длилась примерно от t = 10^-4 до t = 10 сек. К концу этой эры температура снизилась до 1О⁹ К, а плотность -до 10⁷ кг/м ³. Пептоны - класс частиц, которые не участвуют в сильном физическом взаимодействии. Это преимущественно лёгкие частицы (от греческого слова leptos - тонкий, лёгкий): электроны, некоторые мюоны, нейтрино и соответствующие античастицы. В начале лептонной эры аннигилировали мюоны и антимюонные пары, а затем - электроны с позитронами. В результате качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино (среда стала прозрачной для них). Начиная с этого времени нейтрино перестали участвовать во взаимодействиях и при дальнейшем расширении Вселенной сохранили свою самостоятельность. Это реликтовое нейтринное излучение, в принципе, можно обнаружить, но это пока не реализовано вследствие высокой неуловимости нейтрино. Кроме того, в лептонную эру произошло перераспределение энергии: после аннигиляции тяжёлых частиц их энергия перешла к более лёгким и тратилась на нагрев излучения. После аннигиляции лёгких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. Энергия, выделившаяся при аннигиляции электронов и позитронов, дала фотонам энергию на 35% больше, чем нейтрино.

В конце лептонной эры - начале эры радиации начал происходить синтез ядер гелия и дейтерия (тяжёлого водорода). Эти ядра образовывались путём слияния протонов и нейтронов. Причём уже примерно через 1 00 сек после начала расширения образовалось почти 25% ядер гелия (по массе). 75% состава плазмы - ядра водорода. Это подтверждается и современными данными о составе звёзд. Так, Солнце и другие звёзды начали свою жизнь, имея в своем составе большую часть водорода и лишь 20-30% гелия. Астрономами обнаружено также, что распространённость гелия в Галактике невелика и не меняется от места к месту так же сильно, как меняется распространённость более тяжёлых элементов. Это ещё раз подтверждает то, что тяжёлые элементы образовались в звёздах, а гелий - в ранней Вселенной. Эра радиации длилась примерно от t = 1 0 с до 300 тысяч лет. К концу этой эры плотность стала 1 0^-18 кг/м³, а температура уменьшилась до 3000 К. Одно из важнейших событий произошло в конце этой эры. Его обычно называют «отрывом» излучения от вещества. Температура уменьшилась, а следовательно, энергия излучения уменьшилась. Теперь кванты излучения уже не могли ионизовывать атомы водорода. Создались условия, при которых присоединение электронов к протонам (рекомбинация) стало преобладать над отрывом электронов от протонов (ионизация). В результате среда стала прозрачной для излучения. Отсюда поведение вещества и поведение излучения далее будут отличаться. В расширяющейся Вселенной излучение теряет свою энергию быстрее, чем вещество. Но температура излучения уменьшается меньше, чем температура вещества. Но времени прошло много, и поэтому, если считать, что в «эпоху отрыва» излучения от вещества Т = 3000-4000 К, то сейчас Вселенная должна быть заполнена излучением с температурой 3-4 К. Это тоже подтверждено на практике: температура фона космического микроволнового излучения составляет около 3 К.

Эра вещества (или послерекомбинационная эра) длится до сих пор. После «отрыва» излучения и вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась. Главные события, происходившие в ней, связаны с образованием галактик, звёзд,

и позитронов, дала фотонам энергию на 35% больше, чем нейтрино.

В конце лептонной эры - начале эры радиации начал происходить синтез ядер гелия и дейтерия (тяжёлого водорода). Эти ядра образовывались путём слияния протонов и нейтронов. Причём уже примерно через 1 00 сек после начала расширения образовалось почти 25% ядер гелия (по массе). 75% состава плазмы - ядра водорода. Это подтверждается и современными данными о составе звёзд. Так, Солнце и другие звёзды начали свою жизнь, имея в своем составе большую часть водорода и лишь 20-30% гелия. Астрономами обнаружено также, что распространённость гелия в Галактике невелика и не меняется от места к месту так же сильно, как меняется распространённость более тяжёлых элементов. Это ещё раз подтверждает то, что тяжёлые элементы образовались в звёздах, а гелий - в ранней Вселенной. Эра радиации длилась примерно от t = 1 0 с до 300 тысяч лет. К концу этой эры плотность стала 1 0^-18 кг/м³, а температура уменьшилась до 3000 К. Одно из важнейших событий произошло в конце этой эры. Его обычно называют «отрывом» излучения от вещества. Температура уменьшилась, а следовательно, энергия излучения уменьшилась. Теперь кванты излучения уже не могли ионизовывать атомы водорода. Создались условия, при которых присоединение электронов к протонам (рекомбинация) стало преобладать над отрывом электронов от протонов (ионизация). В результате среда стала прозрачной для излучения. Отсюда поведение вещества и поведение излучения далее будут отличаться. В расширяющейся Вселенной излучение теряет свою энергию быстрее, чем вещество. Но температура излучения уменьшается меньше, чем температура вещества. Но времени прошло много, и поэтому, если считать, что в «эпоху отрыва» излучения от вещества Т = 3000-4000 К, то сейчас Вселенная должна быть заполнена излучением с температурой 3-4 К. Это тоже подтверждено на практике: температура фона космического микроволнового излучения составляет около 3 К.

Эра вещества (или послерекомбинационная эра) длится до сих пор. После «отрыва» излучения и вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась. Главные события, происходившие в ней, связаны с образованием галактик, звёзд,

планет. К нашему времени часть звёзд и планет успела завершить свой жизненный путь, другая часть вступила в полосу расцвета, а третья - в стадию образования. Во Вселенной в наше время встречаются звёзды разных поколений.

Date: 2016-05-15; view: 555; Нарушение авторских прав