Вершина загадок

А. Барбараш

E-mail: [email protected]

Часть 2

Одесса, 2006

Оглавление

3. Вершина загадок. 1

4. Неужели Земля растёт?! 10

5. Если предположить …... 20

Краткий словарь. 27

Литература. 27

Вершина загадок

Может показаться, что гипотеза о круговороте разных форм материи даёт логически вполне завершённую модель Вселенной. Пока ещё – нет. Существует ещё одна принципиальная загадка мироздания, обрисовавшаяся в 19-м веке и обострившаяся при появлении гипотезы о круговороте материи. Всякий круговорот, особенно с учётом никак не 100%-ного КПД любого процесса, требует затрат энергии. Всякий круговорот, в конце концов, повышает энтропию, ведёт, по словам немецкого физика Клаузиуса, к „тепловой смерти Вселенной”. (Кстати, это тот самый Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус, который в 1870 г. сформулировал и доказал упоминавшуюся выше теорему вириала, а кроме того, обосновал уравнение Клапейрона – Клаузиуса, сформулировал второе начало термодинамики, ввёл понятие энтропии, разработал теорию поляризации диэлектриков и многое другое.)

Угрозу „тепловой смерти” легко понять – 92% вещества Вселенной представлено звёздами, которые выделяют столько энергии, что для нагрева до тысяч градусов остальных 8% известного вещества достаточно всего нескольких тысяч лет. Ведь пустота Космоса теплоёмкости не имеет, да и уход тепла в мир „тёмной материи” тоже не зарегистрирован! А фактически, за миллионы и миллиарды лет, такого нагрева почему-то не произошло! Как ни удивительно, температура основной массы межзвёздного вещества близка не к тысячам градусов, а к очень низкой температуре 2,73 К микроволнового „реликтового” излучения.

По гипотезе круговорота материи, Вселенная способна, в согласии с Людвигом Фейербахом и Фридрихом Энгельсом, существовать вечно, что ближе к наблюдаемой картине, но не соответствует опасениям Клаузиуса. Возникает удивительное противоречие двух совершенно правильных воззрений.

Это же противоречие, только в иной форме, существует и в гипотезе о Большом Взрыве. Проблема роста энтропии и там оставалась нерешённой. Но от этого не легче. Существо же загадки в том, что сегодняшняя наука не знает источника постоянного притока энергии Космоса и природы его „бездонного” „холодильника”!

На эту тему есть немало рассуждений, но все они не решают проблему. Рассмотрим, например, один из вариантов предложенного астрофизиками объяснения энергии квазаров [Вейльо та ін., 2001]. Мартин Рис и Роджер Бландфорд „предположили, что ультрамассивная чёрная дыра – /по размерам/ не намного большая, чем Солнце, но, возможно, с массой, в миллионы раз превышающей его массу, может обеспечить квазар силовым двигателем.”

„Чёрная дыра сама по себе, по своей природе, не светится, но вещество аккреционного диска, которое закручивается внутрь, к чёрной дыре, нагревается и излучает по мере увеличения плотности. Внутренняя горячая часть диска излучает кванты ультрафиолета и рентгеновских лучей в широком диапазоне энергий. Небольшая часть этих квантов поглощается окружающим газом и переизлучается в виде дискретных спектральных линий ультрафиолета и видимого света. После того, как Рис и Бландфорд предложили свою модель, астрономы поняли, что чёрные дыры могут управлять выделением энергии близких активных галактик.”

„По мере нагрева диска, примыкающий газ нагревается до миллионов градусов и расширяется с высокой скоростью, удаляясь от галактического ядра. Этот поток … может захватывать другие межзвёздные газы и отталкивать их от ядра. В результате образуются светящиеся ударные волны, которые могут распространяться на тысячи световых лет (что сравнимо с размерами самой галактики) … Некоторые из подобных галактик создают также радиоджеты – узкие и очень быстрые газовые струи, излучающие радиоволны при пересечении силовых линий магнитного поля, которые закреплены внутри аккреционного диска...”

„Мы использовали HIFI (Hawaii Imaging Fabry-Perot Interferometer) для исследования NGC 1068, активной спиральной галактики, расположенной на расстоянии 46 миллионов световых лет... В радиодиапазоне NGC 1068 выглядит как миниатюрный квазар: два джета протянулись на 900 световых лет от ядра, а далее – область с более диффузными выбросами … В то же время, явления в диске … влияют и на ядро. На изображениях в инфракрасной области спектра видно полосу звёзд, протянувшуюся более чем на 3000 световых лет от ядра. Измерения скорости с помощью HIFI наводят на мысль, что эта полоса искажает круговую орбиту газа в диске, направляя вещество, как по туннелю, к центру галактики. Этот поток вещества может реально питать чёрную дыру.”

Получается, что энергия чёрной дыры переходит в энергию выбрасываемого газа, а затем выброшенное вещество снова падает на чёрную дыру, и снабжает её новой энергией. Должно быть, авторы статьи видят здесь некий космический „вечный двигатель”, и даже более – пример того, как на основе замкнутой цепочки процессов можно объяснить всё энергоснабжение Вселенной. Между тем, часть энергии рассеивается (например, в виде излучений), а кроме того, остывает и рассеивается часть вещества. Поэтому увидеть здесь „вечный двигатель” очень трудно. Скорее, вспоминается щенок, ловящий собственный хвост.

С позиций гипотезы о Большом Взрыве, источником всего последующего движения и развития можно было считать Взрыв. Но при такой трактовке особенно важно было объяснить источник энергии Взрыва, преодолевающего мощные силы гравитации и дающего энергию всему последующему движению. В случае Взрыва загадка была замаскированной, она существовала лишь в момент Взрыва. Астрофизики и без того соглашались, что не знают процессов, протекающих в фантастической „сингулярной точке” – чего же удивляться, что, наряду с остальными вопросами, оставался неясен источник колоссальной энергии Взрыва? Зато далее всё происходящее можно было объяснять толчком, полученным при Взрыве. Хуже, в этом смысле, выглядят „инфляционные” варианты гипотезы, поскольку здесь изменения касаются лишь параметров пространства и не предусматривают выделения энергии.

В модели с круговоротом материи загадка неисчерпаемой энергии Космоса выступила выпукло, не замаскировано, что сделало её более острой и заметной. Почему не затухает вечный круговорот материи? Какая энергия его обеспечивает?

Если вдуматься, можно понять, что проблема возникает не в связи с моделями Вселенной, а из-за фундаментальных свойств материи. Не случайно принято за аксиому, что движение – неотъемлемый атрибут материи. Здесь-то, независимо от модели Вселенной, и находится центр проблемы! Что даёт энергию для непрерывного движения материи? Если вечное движение – обязательный атрибут материи, то существование Вселенной, при любой модели, невозможно без неисчерпаемого источника энергии и (чтобы эту энергию можно было использовать, чтобы всегда существовал перепад температур) без столь же бездонного холодильника!

Как правило, никто не сомневается, что для существования Вселенной, для протекания в ней разнообразных процессов нужен постоянный приток энергии. Но даже квалифицированные учёные не всегда понимают, что отсюда следует и необходимость оттока остатков отработанной энергии с низким температурным потенциалом. Отработанная энергия не может где-то накапливаться, оставаясь незамеченной. По сравнению с энергетикой звёзд и галактик, теплоёмкость космоса невелика. Пустое пространство, вакуум – не обладает теплоёмкостью. Поглощать тепловую энергию способна лишь материя. Но холодной материи во Вселенной очень мало – из-за низкой средней плотности межзвёздной материи, даже огромный объём пространства между звёздами не приводит к преобладанию массы межзвёздного вещества (совместно с планетами, кометами, астероидами и т.п.) над звёздами – как отмечалось, звёзды составляют около 92% общей массы наблюдаемой материи [Мартынов, 1988].

Солнце является типичной звездой-карликом, светимость которого составляет „всего” 3,86*10²³ кВт (из них Земля получает приблизительно 2*10¹⁴ кВт). Но даже этой энергии достаточно, чтобы примерно за 10'000 лет нагреть всё незвёздное вещество космоса в сфере тяготения Солнца (т.е. в сфере радиусом около 5 световых лет) от нуля до температуры в 6000 Кельвинов, при которой режим излучения Солнца нарушился бы!

Вспомним, что во всей неживой природе – от радиации энергии Солнца в холодный космос до остывания извержённой вулканами лавы – происходит обесценивание энергии в соответствии со вторым началом термодинамики. Тепло постоянно перетекает от горячих тел к холодным, и нигде не наблюдаются противоположные процессы. Происходит очевидное выравнивание температур, очевидный рост энтропии. Клаузиус говорил о „тепловой смерти” не из-за угрозы собственно исчерпания энергии, а из-за постепенного снижения её ценности, способности совершать работу, из-за общей тенденции уменьшения перепадов температур!

В то же время, ясно, что если Вселенная существует десятки миллиардов лет, то для компенсации столь длительного обесценивания энергии где-то неизбежно должен существовать противоположный, антиэнтропийный процесс – процесс увеличения перепадов температур и повышения качества энергии.

Всё видимое в телескопы межзвёздное пространство имеет удивительно низкую температуру. Даже редко встречающиеся повышенные температуры разреженного водорода порядка 10'000 К составляют всего 0,15% от температуры 6,5*10⁶ К в центре Солнца (см. гл. 1). Как правило, космическое пространство намного холоднее. Приходящее со всех сторон изотропное микроволновое излучение показывает своими параметрами, что основная часть объёма Космоса характеризуется равновесной температурой 2,73 К. Криогенные температуры Космоса, сохраняющиеся вопреки притоку энергии от звёзд и ядер галактик, неоспоримо доказывают существование во Вселенной „вечного холодильника”.

Если труды Клаузиуса сосредотачивали внимание учёных на изолированных, замкнутых системах, не обменивающихся с внешней средой веществом и энергией, то с середины ХХ столетия, после работ президента Бельгийской академии наук Ильи Романовича Пригожина, внимание переключилось на открытые системы. Благо они, если присмотреться, составляют подавляющее большинство. Яркие работы Пригожина толкнули некоторых учёных к полному отрицанию мысли Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной. Возник тезис о том, что, поскольку нам известна лишь часть Вселенной, которую, соответственно, нельзя считать замкнутой системой, то проблема роста энтропии во Вселенной попросту снимается.

Но такой подход неверен. Ссылка на открытость известной части Вселенной в данном случае равносильна утверждению, что искомые антиэнтропийные процессы, уравновешивающие рост энтропии в нашем мире, протекают именно за пределами Метагалактики. Подобный взгляд означал бы, что за пределами известного мира существует иная Вселенная, с иными физическими законами. Это противоречит убеждению большинства астрофизиков в том, что ближний Космос является типичным образцом Вселенной в целом.

И дело не только в убеждениях. Если бы существование Метагалактики поддерживалось антиэнтропийными процессами за её пределами, то должны были бы обнаружиться направленные энергетические потоки между исследованной и неисследованной частями Космоса, чего не наблюдается.

Из отсутствия направленных энергетических потоков на границах Метагалактики можно сделать и более общий, более решительный вывод. Не только Метагалактика, но и Вселенная в целом не получает энергии извне и не выбрасывает вовне низкопотенциальные энергетические отходы. В противном случае процессы притока энергии и выброса её отходов наблюдались бы на условных границах каждой достаточно большой зоны Космоса. Остаётся думать, что искомые антиэнтропийные процессы не вынесены в неведомую даль, а скрыты, рассредоточены внутри Метагалактики, в известной нам части Вселенной.

Отсюда приходится признать, что во Вселенной каким-то образом возникла замкнутая циркуляция энергии, отчего её энергетический ресурс стал принципиально неисчерпаемым. Для этого одна и та же энергия должна совершать бесконечный круговорот, появляясь в наиболее высокотемпературной форме галактических и звёздных проявлений, проходя длинную цепочку процессов с понижением температуры, достигая минимальных температур, а затем каким-то удивительным образом снова возрождая свой высокий температурный потенциал. И такой цикл должен повторяться бесконечно.

Требует объяснения неоспоримо существующая проблема – с одной стороны, происходит явный рост энтропии, а с другой стороны, при малой теплоёмкости Вселенной по сравнению с её энергетическими потоками, этот рост за миллиарды лет не привёл (и, по-видимому, никогда не приведёт) к „тепловой смерти Вселенной”. Нужно выяснить, что именно компенсирует рост энтропии, какие процессы реально противостоят непрерывному общему рассеиванию, обесцениванию энергии?

Антиэнтропийным процессом является Жизнь, отчего некоторые исследователи (например, [Рузавин, 1997]) пытаются объяснить равновесие энтропии во Вселенной влиянием живых существ. Но с такими взглядами нельзя согласиться, так как объяснение существования Вселенной через существование Жизни означает включение Жизни в модель Вселенной в качестве обязательного звена.

Если считать энергию одной из форм материи (что соответствует положениям квантовой теории), и признать массу неотъемлемым атрибутом материи, то незачем подчёркивать существование материи (а значит, и Вселенной) независимо от нашего сознания. Объект, присутствующий только в нашем сознании, не наделён массой, и уже потому реально не существует. Но проблемы космологии потребовали дальнейшего продвижения по этому пути, потребовали новой, более широкой формулировки материализма. Для выяснения сущности антиэнтропийных процессов во Вселенной нужно согласиться со следующим: