Концепции современного естествознания. Конспект лекций Горелов Анатолий

Глава 5

Современная астрономия

Во все времена люди хотели знать, как возник наш мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из «ничего».

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: «бытие», «универсум» и «Вселенная». Первый — философский и обозначает все существующее (бытующее). Второй употребляется и в философии, и в науке (не имея специфической философской нагрузки в плане противопоставления бытия и сознания) и обозначает все как таковое. Значение термина «Вселенная» уже приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает космология, т. е. наука о космосе. Слово это тоже неслучайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда воспринимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу — «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

Ко Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это — противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Общепринятая в космологии — модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, по строенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшее известное описание гравитационного поля — уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.

Важный признак данной модели — ее нестационарность Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. В 1922–1924 гг. он выдвинул гипотезу расширения Вселенной. Эмпирическим подтверждением этой гипотезы стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого «красного смещения».

Астрономы изучают небесные тела по принимаемому от них излучению. Это излучение с помощью особых призм раскладывают, получая так называемый спектр, состоящий из семи основных цветов. Иногда мы видим на небе естественно образующийся спектр — радугу. Она появляется потому, что водяные капли разделяют солнечный луч на его составляющие. Ученые получают спектр искусственным путем. Каждое тело имеет свой особый спектр, т. е. определенное соотношение между цветами. Изучая его, можно сделать вывод о составе тел, скорости и направлении их движения.

«Красное смещение» — это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Облегчает обнаружение «красного смещения» то обстоятельство, что проходящий через какую-либо среду свет поглощается химическими элементами данной среды. Так как энергетические уровни, на которых находятся электроны, входящие в состав химических элементов, различны, то каждый химический элемент поглощает особую часть света, оставляя темные линии в спектре прошедшего через него луча. По поглощенной части спектра можно определить состав среды, через которую прошел свет, а также скорость движения испускающего свет объекта. Темные линии смещаются при удалении объекта от нас в сторону красной части спектра.

Для всех далеких источников света «красное смещение» было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. «Красное смещение» оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной. Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной. «Красное смещение» надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности нашей Вселенной.

Если Вселенная расширяется, значит она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, происшедшем примерно 13,7 плюс-минус 0,2 млрд. лет назад. Автор модели Большого взрыва Г.А. Гамов, ученик А.А. Фридмана, а сам термин «Большой взрыв» впервые ввел английский астроном Ф. Хойлу. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы»[36].

Начальное состояние Вселенной (так называемая точка сингулярности — от англ. «single» — единственный) характеризуется следующими свойствами: бесконечная плотность массы, пространство в виде точки и взрывное расширение. Модель Большого взрыва подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Предсказание реликтового излучения было следствием модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной, а его обнаружение — подтверждением данного следствия. Слово «реликтовое» здесь неслучайно: так, реликтовыми животными называют виды, появившиеся в древности и существующие в наши дни.

Возникает вопрос: из чего же образовалась Вселенная? В Библии утверждается, что Бог создал «все из ничего». После того, как в классической науке были сформулированы законы сохранения материи и энергии, некоторые философы предполагали, что под «ничем» имелся в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает, что все могло создасться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» другие ее формы. Квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает, с современной научной точки зрения, ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит спонтанное возникновение энергетического потенциала, т. е. поля как одного из видов физической материи. Напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства. В вакууме «частицы непрерывно создаются из ничего как флуктуации энергии, и затем разрушаются снова, но исчезают настолько быстро, что непосредственно никогда не могут наблюдаться. Такие частицы называют виртуальными»[37]. Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. «Можно сказать, что каждая из сталкивающихся частиц окружена облаком виртуальных частиц. Когда частицы задевают друг друга краями своих облаков, виртуальные частицы превращаются в реальные»[38].

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является подтверждением искусственного творения мира. Все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, А. Эйнштейн сказал: «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». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной (если наша Вселенная единственна) не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства — времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Человеческий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего и что находится за пределами расширения. Первый вопрос очевидно противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые не столько научные, сколько натурфилософские.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но, тем не менее, она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Оставим эти соображения натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные мысли, а эмпирическая проверка гипотез.

Что происходило на начальных этапах эволюции Вселенной, получивших название Большого взрыва? Главенствующей в космологии является гипотеза постепенной эволюции физической материи и образования существующих физических сил из первоначальной единой суперсилы. Выделяют следующие этапы Большого взрыва: инфляционный, суперструнный, этап великого объединения, электрослабый, кварковый, этап нуклеосинтеза.

Когда возраст Вселенной был менее 10^-43 с., произошло ее интенсивное расширение (раздувание), названное инфляцией (хорошо всем известное слово употреблено здесь в особом специфическом смысле). «…раздувание предлагает естественный механизм для создания больших пространственных размеров во Вселенной»[39]. Что расширялось при отсутствии в пространстве материи? Само пространство, а именно три пространственные измерения (в целом пространственных измерений на ранних стадиях эволюции Вселенной и в настоящее время насчитывают до 10). Это инфляционный этап. «Когда раздувание закончилось, произошла огромная передача энергии. Энергия, которая управляла инфляционным расширением, преобразовалась в элементарные частицы и излучение, что закончилось драматическим увеличением температуры Вселенной»[40].

Когда возраст Вселенной достиг 10^-43 с., появились первые материальные объекты, получившие название суперструн, поскольку по аналогии с обычными струнами они имеют длину и свойство колебаться. У струн нет толщины, а протяженность порядка 10^-33 см. Это суперструнный этап. Предполагается, что колебания струн способны порождать все возможные частицы и физические поля. При этом «обычные» частицы и физические поля живут только в реальном мире с числом измерений 3 +1 (три пространственных плюс время). «Привлекательная особенность такой картины состоит в том, что она дает возможность рассматривать все частицы в виде одного и того же фундаментального объекта — суперструны… Характеристики суперструны, такие как растяжение и энергия колебаний, могут изменяться, и эти вариации проявляются как частицы с различными свойствами. Другая привлекательная особенность суперструнной теории состоит в том, что взаимодействия частиц естественно объясняются разрывом струны на части или соединением отдельных кусков вместе»[41].

На каждом последующем этапе по мере расширения Вселенной температура постепенно снижалась, определяя протекающие физические процессы. Следующий этап назван этапом великого объединения, поскольку единая суперсила разбилась в начале его на силу гравитации и силу великого объединения. На данном этапе продолжили расширяться только три пространственных измерения, известные нам как длина, ширина и высота. Снижение температуры заставило струны сжаться, и они начали походить на точечные объекты, которые известны сегодня как элементарные частицы и античастицы. В этот период элементарные частицы обменивались частицами, ответственными за перенос силы великого объединения и были неразличимы между собой.

В возрасте Вселенной 10^-35 с. сила великого объединения расщепилась на сильную и электрослабую силы. Начался электрослабый этап. Элементарные частицы утратили способность взаимодействовать между собой посредством силы великого объединения и разделились на кварки и лептоны, но благодаря электрослабой силе взаимодействовали с излучением и были неотличимы от него.

В возрасте Вселенной 10^-10 с. произошло расщепление электрослабых сил на слабые и электромагнитные. Начался кварковый этап. В начале его в отсутствие электрослабой силы более влиятельной стала сильная сила, которая объединила кварки в протоны и нейтроны.

В возрасте Вселенной 10^-4 с. при температуре в миллиард градусов начался процесс образования ядер атомов водорода и гелия (нуклеосинтез). Соответственно этот этап получил название нуклеосинтеза. Полностью данный процесс был закончен в течение приблизительно трех минут.

В последующие 300 000 лет Вселенная продолжила расширяться, а температура понизилась до 3 000 градусов. Из ядер атомов и электронов стали образовываться атомы и началась эра вещества. Появление атомов может рассматриваться как окончание Большого взрыва.

На этапах возникновения вещества Вселенная состояла из плотной смеси элементарных частиц, находившихся в состоянии плазмы (нечто среднее между твердым и жидким состоянием). Плазма расширялась все больше и больше под действием взрывной волны. Соответственно, температура ее падала и в результате менялся состав вещества. «…когда температура была выше 1 млрд. градусов, электромагнитное излучение имело достаточно энергии, чтобы разрушить любые ядра, которые, возможно, возникали. Аналогично, если атом так или иначе сумел сформироваться, когда температура была более, чем три тысячи градусов, излучение вскоре сталкивалось с ним и выбивало электроны, делая их свободными. Ниже этой температуры энергия излучения была уже недостаточной для того, чтобы освобождать электроны, и поэтому атомы выживали»[42]. Через 0,01 с. после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). По своему химическому составу Вселенная и в настоящее время более чем на 90 % состоит из водорода и гелия.

«Так как свободные заряженные частицы, способные взаимодействовать с основной частью излучения, отсутствовали, оно осталось, по существу, неискаженным при дальнейшем расширении Вселенной»[43]. Поскольку атомы нейтральны, а фотоны, из которых состоит излучение, отрицательно заряжены, излучение, когда сформировались атомы, отделилось от вещества. Обнаружение этого излучение, названного реликтовым, и стало решающим подтверждением модели Большого взрыва.

Что касается этапов Большого взрыва, то они ждут своей эмпирической проверки на современных мощных ускорителях типа Большого адронного коллайдера, на котором искусственно воссоздаются условия, существовавшие на ранних этапах эволюции Вселенной. Большой адронный коллайдер изучает взаимодействие элементарных частиц путем разгона их до энергии, при которой существенную роль играют и квантовые эффекты и эффекты общей теории относительности. Более подробно об этом будет говориться в главах, посвященных развитию физики.

Вопрос об образовании и строении галактик — следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной — едином целом, но также и космогония (от греч. «gonos» означает рождение) — область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают галактическую, звездную, планетную космогонию).

Как образовались галактики и звезды? Плотность вещества во Вселенной была неодинакова в различных частях и к областям большей плотности притягивалось вещество из соседних областей. Области высокой плотности становились, таким образом, еще плотнее. Формировались так называемые «острова» материи, которые начинали сжиматься из-за собственной гравитации. В пределах «островов» образовывались отдельные «мини-острова» с еще более высокой плотностью. Из первоначальных «островов» образовались галактики, а из «мини-островов» — звезды. Процесс этот завершился в течение 1 млрд. лет.

Галактики представляют собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь. Само слово «галактика» происходит от греч. «galaktikos» — молочный. Так назвали потому, что скопление звезд напоминает белесое облако. Наша галактика относится к группе спиралевидных галактик и состоит из трех частей. 100 млрд. звезд галактики сосредоточено в гигантском «диске» толщиной около 1 500 световых лет, а диаметром приблизительно 100 тыс. световых лет. Движутся звезды по почти круговым орбитам вокруг центра галактики. На расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра галактики в «диске» расположено Солнце. Вторую часть галактики составляет сферическая подсистема, в которой также около 100 млрд. звезд. Но движутся они по сильно вытянутым орбитам, плоскости которых проходят через центр галактики. Диаметр сферической подсистемы близок к диаметру «диска». Третья, внешняя, часть галактики называется гал. Размер ее в 10 раз больше размеров диска и состоит она из темного вещества, названного так потому, что в нем нет звезд, и из него не исходит никакого света. Его нельзя увидеть, а узнали о нем по наличию тяготения. Масса темного вещества в гал в 10 раз больше суммарной массы всех звезд галактики.

Из чего состоит темное вещество — неясно. Предположений много: от элементарных частиц до звезд-карликов. Космологическая среда в целом состоит из четырех компонентов: 1) темная энергия; 2) темное вещество; 3) барионы (обычное вещество); 4) излучение. Излучение состоит из реликтового (фотоны), нейтрино и антинейтрино.

Темная энергия (или космический вакуум) — «это такое состояние космической среды, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью — и притом в любой системе отсчета»[44]. О физической природе темной энергии ничего не известно. Последние наблюдения показывают, что 6–8 млрд. лет назад замедляющееся расширение сменилось ускоренным. Причиной считают то, что ранее 6–8 млрд. лет назад преобладало тяготение, а затем антитяготение. Это служит аргументом в пользу наличия темной энергии. «На космический вакуум приходится 67 % всей энергии мира, на темное вещество — 30 %, на обычное вещество — 3 %»[45].

Ближайшая к нашей галактика (которую световой луч достигает за 2 млн. лет) — «Туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1924 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Размеры «Туманности Андромеды» сравнимы в размерами нашей галактики. Позже были открыты другие галактики.

Галактики собраны в группы от нескольких единиц до тысяч — скопления галактик. Наше скопление называется Местная группа (ее размеры — 60 размеров Млечного Пути). Название галактик из Местной группы — Туманность Андромеды, Треугольник, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако и т. д. Скопления сгруппированы в сверхскопления. В центре нашего сверхскопления — скопление Дева. Всего во Вселенной существуют сотни миллиардов галактик.

Галактики, скопления и сверхскопления распространены во Вселенной равномерно. Однородность галактик означает, что ни одна из них не является центром мира. В целом на каждые 10 м пространства приходится 1 атом водорода. Компактные массивные сгущения в центральных частях галактик называются ядрами галактик.

Звезды изучает астрономия (от греч. «astron» — звезда и «nomos» — закон) — наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживала в XX в. свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений (телескопы-рефлекторы, приемники излучения — антенны и т. п.) — основного своего метода исследований. В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика — часть астрономии, изучающая физические и химические процессы, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах, отличаются от условий, доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной.

Один из основных методов астрофизики — спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому — непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый — наиболее отклоняющимися. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи — не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась прежде всего как техническая — космонавтика (от греч. «kosmo» — порядок и «nautik» — искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов — расчеты траекторий и т. д.; научно-технические — конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организации и снабжения орбитальных станций и др.; медико-биологические — создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К.Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 г. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 г.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г., первый полет человека в космос 12 апреля 1961 г., лунная экспедиция в 1969 г., создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилосьобъединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 г. осуществлен совместный проект «Мир»-«Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, задерживаемое атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики. Особенно много данных получено от находящегося на орбите космического телескопа «Хаббл».

Современным наблюдениям доступен объем мира с радиусом 10 млрд. световых лет. Так как возраст Вселенной 13,7 млрд. лет, а световой луч идет к Земле со скоростью света, то «глядя на самые далекие из доступных наблюдениям источники света — гигантские галактики и квазары, мы видим, таким образом, Вселенную, какой она была около десяти миллиардов лет назад»[46].

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, — самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно неслучайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце, как обычная звезда, производит только гелий из водорода, очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны звезды. Земля производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним. Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной — значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, не отрываясь от реальности нашего бытия.

Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой в XVIII в. французским физиком и математиком П. Лапласом и развитой немецким философом И. Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности под действием сил гравитации.

Принятие модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло на модели образования небесных тел. Сейчас общепринято, что звезды происходят из «мини-островов», о которых говорилось в разделе «Эволюция и строение галактик». Как только водородное облако становится звездой, выходящее из него излучение начинает противодействовать сжатию. «В процессе взаимодействия между веществом и излучением устанавливается равновесие; давление направленного наружу излучения точно уравновешивается давлением гравитации, создаваемой веществом. Это состояние чрезвычайно устойчиво и дальнейшее сжатие звезды предотвращено до тех пор, пока в ее центре производится достаточное количество излучения. Размер звезд остается постоянным, пока происходит слияние водорода в гелий. Это равновесие объясняет, почему Солнце настолько устойчиво и не свертывается в себя или не взрывается»[47].

При разработке модели расширяющейся Вселенной ученые встретились с несколькими трудностями обоснования, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», которые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает). Дж. Уилер назвал их «черными дырами», потому что они не излучают свет, а любой объект, приблизившийся к ним на слишком малое расстояние, никогда не возвращается назад.

Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Быстрое гравитационное сжатие называется гравитационным коллапсом. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость большую, чем скорость света, что невозможно по теории относительности. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает и, стало быть, ее невозможно обнаружить. Границей «черной дыры» является горизонт события, находясь на котором можно еще не быть поглощенным ею. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Различают три возможных типа «черных дыр»: 1) образующиеся на поздних стадиях эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные «черные дыры» в ядрах галактик; 3) первичные «черные дыры», образовавшиеся на ранних стадиях развития Вселенной. Поскольку теоретически Вселенная может порождать другие Вселенные из своих «черных дыр», появилась гипотеза множественности Вселенных (мультимира), которую в настоящее время невозможно эмпирически подтвердить или опровергнуть. Существует и гипотеза испарения «черных дыр», в результате которого она исчезает. Сами «черные дыры» еще не обнаружены, хотя астрономы ведут наблюдения над «кандидатами» в «черные дыры».

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию — звезды, и не испускающие — планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Промежуточное между звездой и планетой тело — коричневый карлик. В его недрах нет термоядерных реакций из-за низкой температуры, но он светится за счет гравитационного сжатия (интервал масс 0,01-0,008 массы Солнца). В 1995 г. у одной из звезд удалось открыть планету, вращающуюся вокруг нее. В настоящее время считается, что планетные системы существуют вокруг нескольких миллиардов звезд.

Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино. Звезды — это «фабрики» по производству химических элементов и источники света и жизни. Большинство звезд состоит из водорода и гелия, и в их недрах происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий, которая имела место и в течение Большого взрыва. Большие массивные звезды производят непрерывную цепочку термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее вплоть до элементов группы железа. Этот процесс происходил в недрах звезд миллиарды лет после Большого взрыва, в течение которого могли быть произведены только водород и гелий. Более тяжелые, чем водород и гелий, элементы синтезируются и при вспышках сверхновых звезд.

Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр — переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Существуют очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50 000 от солнечного (10–20 км); они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов. Нейтронные звезды образуются из звезд с определенной массой железных ядер на поздних стадиях их эволюции.

Когда горючее исчерпывается, звезда начинает коллапсировать. Электроны останавливают коллапс обычной звезды. В недрах более массивных звезд гравитационное давление уменьшает расстояние между частицами до такого, в пределах которого начинает действовать слабая сила. Протоны начинают объединяться с электронами, превращаясь в нейтроны. Последние предотвращают дальнейший коллапс. «Внешние области звезды выбрасываются во внешнее пространство, и огромное количество энергии освобождается в таком процессе. Яркость звезды увеличивается на много порядков. Когда смотрят издалека, звезда кажется взорвавшейся, и такое явление называют вспышкой сверхновой звезды. Это то самое время, когда производятся самые тяжелые элементы из-за экстремальных температур, которые достигаются в этот период»[48]. «Быстрое сжатие (коллапс) железного ядра звезды приводит к образованию нейтронной звезды радиусом около 10 км и плотностью вещества, достигающей сотен миллионов см³»[49]. Энергия вращения преобразуется в направленное радиоизлучение, благодаря которому эти объекты были обнаружены в 1967 г. и названы пульсарами. Пульсары — космические источники радио-оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов — 0,03-4 с., у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд.

А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В результате кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс. Таким образом, помимо Большого взрыва есть еще и меньшие взрывы, в результате которых рождаются звезды.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7 тыс. до 30 тыс. градусов) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.

Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда звезда увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет.

Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра».

Процесс эволюции звезд представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Процесс эволюции звезд.

Белые карлики и нейтронные звезды затем могут снова участвовать в процессе звездообразования. Наличие в спектре нашего Солнца следов углерода, кислорода и других элементов, которые не могли образоваться на самом Солнце, свидетельствует о том, что оно сформировалось из материала, некогда входившего в состав вырабатывавших тяжелые химические элементы звезд. Что касается «черных дыр», то помимо гипотезы образования из них новых вселенных, существует гипотеза об их постепенном испарении и последующем исчезновении. Через 30–50 млрд. лет все звезды, как предполагается, погаснут, а материал для образования новых светил будет исчерпан. Но к этому моменту наша Вселенная может породить новую (или новые) вселенные.

Дж. Бруно в своем сочинении «О бесконечности, вселенной и мирах», вышедшей в 1584 г., предположил, что Солнце лишь одна из великого множества звезд Вселенной. Это предвидение подтвердилось.

Солнце — плазменный шар (плотность — 1,4 г/см³) с температурой поверхности 6 тыс. градусов, в атмосфере которого — короне — происходят вспышки — протуберанцы. На Солнце имеются пятна — участки с температурой 1-100 млн. градусов, из которых под влиянием магнитного поля Солнца не вырывается свет до определенного момента, когда происходит взрыв и магнитное поле (магнитная буря) достигает Земли. Когда заряженные частицы Солнца проникают в полярные части Земли, их соединение с магнитным полем Земли приводит к свечению (полярное сияние). Излучение Солнца — солнечная активность — имеет цикл 11 лет.

Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Гелий обнаружили на Солнце в XIX в. и так как его не было на Земле, его назвали от имени Солнца — Гелиос. Первоначально Солнце состояло в основном из водорода, под действием гравитации он сжимался, температура увеличилась до 10 млн. градусов, электроны покидали атомы и начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий. На нынешнем Солнце эта реакция идет при температуре 15 млн. градусов. Исходя из имеющихся запасов водорода в Солнце, оно будет существовать приблизительно еще 5 млрд. лет. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел А. Эддингтон. Немецкий физик Г. Бете (Нобелевский лауреат 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики — 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра расположена на расстоянии 40 трлн. км.

Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, составляет порядка 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космического облака, расположенного в окрестностях Солнца. На окраине нашей галактики взорвалась сверхновая звезда и ее ядро врезалось в облако газа. Обломки сверхновой образовали планеты вокруг Солнца, а оно само сформировалось в результате начавшихся термоядерных реакций. Предполагается, что частицы, из которых образовалось вещество солнечной системы, состояли из химического элемента железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали и конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды и соединения азота.

Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. То, что все планеты вращаются в одной плоскости, свидетельствует о том, что они образовались из одного диска. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 6 млрд. км. Расстояние от Солнца до Земли около 150 млн. км, что составляет 107 его диаметров.

Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, в атмосфере Юпитера — аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения. Луна находится от Земли на расстоянии 400 000 км.

В начале 1970-х гг. была выдвинута гипотеза, что Луна сформировалась вместе с Землей, но затем с Землей столкнулось какое-то небесное тело и вылетевшие из нее расплавленные обломки соединились, образовав Луну. Эта гипотеза возникла потому, что собранный лунный грунт состоит из тех же пород того же возраста, что и земной, но расплавленных и без наличия воды.

1. На чем основывается модель расширяющейся Вселенной?

2. Что такое однородность и изотропность Вселенной?

3. Что такое «красное смещение»?

4. В чем различие понятий: «Вселенная», «бытие», «космос», «Универсум»?

5. Что такое точка сингулярности?

6. Что такое реликтовое излучение?

7. Каковы этапы Большого взрыва?

8. Как образовались галактики и звезды?

9. Из каких частей состоит наша галактика?

10. Что такое темное вещество и темная энергия?

11. Почему светят звезды?

12. Какие процессы происходят в недрах звезд?

13. Чем красные гиганты отличаются от обычных звезд?

14. Каковы основные концепции происхождения звездных систем?

15. Каковы основные концепции происхождения Солнечной системы?

16. Чем различаются космология, космогония, астрономия, астрофизика, космонавтика?

I. Ответьте на вопросы.

1. Что значит стационарность и нестационарность Вселенной?

2. В чем разница между бесконечностью и безграничностью?

3. В каком смысле можно говорить о реликтовом излучении как об «ископаемом»? Что оно дало ученым? Почему оно не было обнаружено раньше?

4. Как можно доказать, что все произошло из «ничего»?

5. Чем отличается гравитационный коллапс от антиколлапсионного взрыва?

6. Какие процессы происходят в недрах галактики?

7. Какова структура галактики?

8. Что такое галактика, звезда, планета?

9. Чем «черная дыра» отличается от «белой дыры»?

10. Какова масса Солнца?

11. Из скольких планет состоит Солнечная система?

12. Чем звезды отличаются от планет и комет?

II. Прокомментируйте высказывания.

«Уже само наше существование влечет за собой строгий отбор типов Вселенной, которую мы могли бы познавать» (Дж. Барроу).

«Вот человек, следовательно, какой же должна быть Вселенная?» (Дж. Уилер).

«Евангелие от Иоанна» начинается так: «В начале было Слово». Что мог бы сказать современный ученый: «В начале было…» (дополните фразу).

«…Таким образом, вхождение времени в физику явилось заключительным этапом все более широкого „восстановления прав“ истории в естественных и социальных науках. Интересно отметить, что на каждом этапе этого процесса наиболее важной отличительной особенностью „историизации“ было открытие какой-нибудь временной неоднородности. Начиная с эпохи Возрождения западное общество вступало в контакт со многими цивилизациями, находившимися на различных этапах развития; в XIX в. биология и геология открыли и классифицировали ископаемые формы жизни и научились распознавать в ландшафтах сохранившиеся до нашего времени памятники прошлого; наконец, физика XX в. также открыла своего рода „ископаемое“ — реликтовое излучение, поведавшее нам о „первых минутах“ Вселенной. Ныне мы твердо знаем, что живем в мире, где сосуществуют в неразрывной связи различные времена и ископаемые различных эпох» (И. Пригожин, И. Стенгерс).

III. Прокомментируйте схему.

Эволюция Вселенной.

Большой взрыв? темная эра? образование звездных систем?

Вместо вопросительных знаков поставьте названия частиц, элементов и веществ, образовавшихся на каждой из этих стадий.

Вейнберг С. Первые три минуты. — М., 1981.

Лидсей Дж. Э. Рождение Вселенной. — М., 2005.

Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. — М., 1988.

Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. — М., 1968.

Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. — Фрязино, 2007.

Ходж П. Революция в астрономии. — М., 1972.

Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. — М., 1976.

Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. — М., 1975.

Глава 6

Современные науки о Земле

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась из газопылевого облака, окружавшего Солнце, не более, чем через примерно 0,5 млрд. лет после образования Солнца. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 6²¹ тонн. Плотность 5,5 г/см³. Скорость вращения Солнца вокруг Земли составляет 30 км/с. Основными компонентами облака были водород, гелий, а также присутствовали более тяжелые химические элементы. Когда земной шар стал остывать, более тяжелые металлы такие, как железо и никель, опустились в расплавленное ядро, а более легкие элементы такие, как кремний, начали формировать земную кору.

Земля состоит из внутренних и внешних оболочек. Среди внутренних оболочек выделяют мантию и внутреннее и внешнее ядро. Внутреннее ядро твердое и состоит в основном из железа. Во внешнем ядре, жидком, наряду с железом присутствует никель, кремний, сера и кислород. Выше ядра располагается мантия. Она составляет 70 % массы Земли и делится на верхнюю и нижнюю. Верхняя мантия состоит из силикатов железа и магния, нижняя включает смесь окислов магния, кремния и железа. Мантия — твердая, за исключением располагающейся в верхней мантии астеносферы — относительно тонкого пластичного слоя, в котором зарождается магма. Выше астеносферы располагается литосфера, включающая в себя самую верхнюю часть мантии и земную кору.

Внешние оболочки Земли состоят из земной коры, гидросферы и атмосферы. Толщина земной коры 10–80 км. По химическому составу в земной коре преобладает кислород, дальше следуют кремний, алюминий, железо. Земная кора делится на континентальную и океаническую, расположенную ниже уровня моря. Толщина океанической коры 7-10 км. Гидросфера покрывает основную долю земной поверхности. Она состоит из вод мирового океана (97 % всей воды Земли); из воды, испаряющейся с поверхности океанов и выпадающей в виде осадков на сушу, стекающей в ручьи и реки и опять впадающей в океан; из подземных вод, озер и рек; и из криосферы, включающей в себя всю замерзшую воду Земли в форме снега и льда.

В атмосфере Земли, масса которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладают азот и кислород. Атмосферу разделяют на тропосферу (по высоте до 9-17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (по высоте до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Выделяют также магнитосферу, в которой действует магнитное поле Земли, ограничиваемое влиянием частиц солнечного ветра — газообразного вещества, состоящего из свободно движущихся ионов и электронов, вырабатываемого в солнечной атмосфере и выбрасываемого в солнечную систему. «Магнитное поле вокруг Земли сформировано вращением внутреннего ядра как твердого шара, различными течениями в жидком внешнем ядре и медленными течениями в мантии»[50].

Наука, изучающая строение и эволюцию Земли, называется геологией (от греч. «gё» — земля и «logos» — наука). Эта наука возникла в XVIII в., хотя данные о поверхности Земли и ее изменениях известны еще Древнему миру.

В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Ж. Кювье); 2) посредством небольших постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Ч. Лайелля).

Успехи физики XX в. способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологческом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи — атом — имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. На свойстве радиоактивных элементов распадаться основано определение абсолютного возраста Земли и горных пород. В следующем 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

Все геологические процессы разделяют на эндогенные, связанные с внутренней динамикой Земли, и экзогенные, связанные с внешней динамикой Земли. К эндогенным процессам относят тектонические движения, землетрясения, вулканическую деятельность. Они вызываются эндогенными геодинамическими факторами, такими как распад радиоактивных химических элементов, движение литосферных плит, высокая температура, давление, вызываемое силой гравитации, и т. д. Следствием эндогенной динамической активности являются разломы земной коры, вулканы — возвышенности из горячей магмы, покинувшей земную кору (лава), вулканический пепел, покрывающий Землю в результате извержения, вулканические жерла — трещины или отверстия, идущие от магматической камеры к поверхности, кратеры — чашеобразные впадины, центрируемые над жерлом вулкана, термальные источники, гейзеры и т. д.

К экзогенным геологическим факторам относят выветривание — разрушение горных пород под влиянием воды, ветра, льда (экзогенные геодинамические факторы). Следствием экзогенной геодинамической активности являются оползни, образование пещер, заболачивание и т. д.

По мере получения новых данных о более древних пластах земной коры и более древних временах геология XX в. еще дальше продвинула представления об эволюции земного шара. Главный вывод об эволюции Земли соответствует тем результатам, к которым пришли в XX в. другие отрасли естествознания.

Горные породы, составляющие земную кору, делятся на осадочные — образовавшиеся в результате накопления осадков на дне водоемов, магматические — образовавшиеся в результате отвердевания расплавленных пород мантии, и метаморфические, представляющие собой вторично расплавленные и затвердевшие осадочные и магматические породы. Примерами этих типов пород соответственно будут известняк, гранит, мрамор.

Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была зеленым континентом. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после Великого оледенения.

Современная геология выделяет в эволюции Земли три начальных этапа, которые занимают 7/8 всей геологической истории (одно из названий этого периода — докембрий).

Первый этап — этап формирования нашей планеты, который занял промежуток от 3,9 до 4,5 млрд. лет. Его можно назвать этапом возникновения Земли. В этот период возникли первичные гидросфера, атмосфера и литосфера. Земная атмосфера появилась в процессе вулканической деятельности, а водяные пары конденсировались в океане. Возраст земной коры — 3,9 млрд. лет. Границей этого этапа может служить появление живых организмов.

Второй этап — этап формирования современного лика Земли и появления первых живых организмов вплоть до фотосинтезирующих. Он занимает время приблизительно от 3,8 до 2,0 млрд. лет. Этот этап можно назвать этапом возникновения жизни на Земле. Его граница — появление фотосинтеза. Резкое изменение состава атмосферы, превращение ее в кислородную произошло примерно 2 млрд. лет назад и связано с эволюцией жизни.

Третий этап характеризуется широким распространением жизни на Земле. Этот этап продолжался от 2 млрд. лет до периода, названного кембрием (около 570 млн. лет назад). На этом этапе возникали континенты, от него дошли ледниковые отложения. В атмосфере появляется свободный кислород. Это этап возникновения современной биосферы.

Три последующих этапа «явной жизни» (так называемый фанерозой — от греч. «phaneros» — явный, «zoe» — жизнь) делятся соответственно на палеозой («древняя жизнь»), продолжавшийся 340 млн. лет, мезозой («средняя жизнь»), продолжавшийся примерно 160 млн. лет, и кайнозой («новая жизнь») продолжительностью примерно 70 млн. лет. Здесь речь идет скорее о биологической эволюции, о которой подробнее будем говорить ниже.

В палеозое, особенно в каменноугольном периоде, накапливались огромные запасы углей, которые обеспечили энергией промышленную революцию XVIII в. и служат до сих пор энергетической базой человечества.

В мезозое возникли огромные травоядные ящеры и питающиеся ими хищные динозавры. Их массовая и безвозвратная гибель примерно 65 млн. лет назад, а также гибель обильной растительности, существовавшей в то время, — древовидных папоротников, плаунов и хвощей, — знаменовала переход к кайнозою, в котором расцвели млекопитающие и другие дошедшие до наших дней виды жизни.

Наконец, последний период развития Земли в несколько миллионов лет связан с появлением человека и называется антропогеном (от греч. «antrpos» — человек и «gens» — рожденный).

В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер, исходя из очертаний континентов, предположил что в геологическом периоде карбоне примерно 200 млн. лет назад существовал единый массив суши, названный им Пангеей (от греч. «pan» — все и «gaia» — богиня Земли). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, 85 млн. лет назад Северная Америка отделилась от Европы.

Эта гипотеза противоречила господствовавшим в геологии представлениям о неподвижности континентов в истории Земли. Первоначально в поддержку данной гипотезы свидетельствовало только то, что если мы мысленно соединим ныне существующие континенты, то их очертания хорошо подойдут друг к другу.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 1950-х гг. расширения дна океанов со скоростью несколько миллиметров в год, что послужило отправной точкой создания новой теории эволюции Земли — тектоники литосферных плит. В соответствии с данной теорией литосфера разделена на плиты, нижние части которых погружены в жидкий расплав астеносферы. Плиты имеют толщину 75-250 км. Они движутся под влиянием глубинных конвективных потоков (движение обусловлено разностью давлений в различных точках — такова же природа образования ветров и циклонов), направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты. Итак, движущей силой служит конвекция в мантии, а источником энергии — радиоактивный распад. Процессы ядерного распада играют роль как бы «мотора» эволюции Земли. Всего насчитывают 15–20 основных плит. Плиты перемещаются со скоростью до 20 см в год (в некоторых районах). На плитах жестко укреплены континенты, которые движутся вместе с плитами, меняя лик планеты. Столкновение плит вызывает горообразовательные процессы. Так, например, столкновение Евразийской плиты с Индо-Австралийской привело к образованию Тибета и Гималаев 40 млн. лет назад. В пределах плит имеются сквозные разломы и возникающие в связи с этим напряжения в горных породах приводят к землетрясениям. Прогнозирование землетрясений представляет сейчас одну из главных задач геологии и геофизики. На протяжении геологической истории Земли континенты неоднократно соединялись в единый континент, который вновь раскалывался. Суперконтинентальный цикл имеет период примерно в 500 млн. лет.

Теорию литосферных плит подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии. Она представляет собой научную революцию в геологии XX в., коренным образом изменившую представления об эволюции Земли. До создания тектоники литосферных плит считалось, что основные силы, вызывающие горообразовательные процессы, действуют вертикально; тектоника литосферных плит определила, что они горизонтальные. Хотя значение изменений представлений в геологии кажется не столь важным в сравнении с астрономией, на самом деле это можно назвать «коперниканским переворотом» в геологии.

Как мы увидим в дальнейшем, Земля — это «фабрика» по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел.

Первые две из названных наук достигли своего расцвета в XX в. и относятся к типу переходных наук, которых в XX в. появилось особенно много (как уже упоминавшаяся астрофизика).

Геофизика изучает физические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. Эта наука имеет важное как теоретическое, так и практическое значение. Первое связано с изучением внутреннего строения Земли, которое можно исследовать только особыми физическими методами, но не непосредственно. Существуют специфические методы геофизики: сейсмический, радиоактивный и т. д. Практическое значение геофизики определяется поисками полезных ископаемых, которые все труднее открыть традиционными методами — геологическим молотком и т. п.

Геохимия изучает геохимические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли; распределение и перемещение химических элементов по лику Земли. Все планеты Солнечной системы построены в основном из небольшого количества химических элементов (около 30). Сложные органические соединения начинали возникать еще на последних ступенях остывания солнечной туманности. Процессы радиоактивного распада, поднимая температуру Земли, сделали возможным осуществление всех химических процессов, происходящих на ней.

Геохимические процессы, т. е. процессы круговорота химических элементов на поверхности и в недрах Земли (так называемые геохимические циклы), находились под влиянием развития жизни. Изучая эти процессы, В.И. Вернадский выяснил, что ключевую роль в их протекании играют все разновидности живого вещества, в том числе простейшие бактерии. Это дало начало еще одной науке — биогеохимии, которая изучает влияние живого вещества на распределение химических элементов на Земле.

География, в отличие от геофизики и геохимии, является одной из самых древних наук. Ее научный статус был не очень высок, что отражалось в самом названии (от греч. «gё» — Земля и «grapho» — пишу, описываю). Географы занимались описанием прежде всего поверхности нашей планеты. В таком понимании значение данной науки должно было бы постепенно сойти на нет, поскольку поверхность Земли достаточно полно описана. Имеется в виду физическая география, поскольку экономическая география принадлежит к числу не естественных, а гуманитарных наук. В XX в. предмет географии существенно изменился, что вдохнуло в нее новую жизнь. География, сохранив свое название, перестала быть описательной наукой, превратившись в конструктивную — науку о способах и путях преобразования лика Земли.

Существуют также науки, которые изучают отдельные виды процессов или участки земной поверхности: геоморфология — наука о рельефе, гидрология — наука о гидросфере, гидрогеология — наука о подземных водах, гляциология — наука о льде и ледниках и т. п.

Еще в Древнем мире люди знали, что погодные условия зависят от угла наклона солнечных лучей к земной поверхности. Само слово «климат» происходит от греч. «klima» — наклон. Угол наклона зависит от широты местности и от времени суток и года. Изменение климата может быть замечено только в масштабе десятилетий, тогда как погода меняется в течение года.

Одной из основных причин резкого изменения климата считают небольшие изменения земной орбиты и наклона земной оси. Климатологи установили, что климат периодически (примерно раз в 100 тыс. лет) существенно менялся и не в отдельных регионах, а на всей планете. Эти периодические изменения климата модифицируют лик нашей планеты. Эволюция климата соответствует периодическим изменениям поверхности Земли, движениям континентов и гидросферы. Только периодичность разная: не 500 млн. лет, как в суперконтинентальном цикле, а 100 тыс. лет.

В настоящее время на эволюцию климата большое влияние оказывает человеческая деятельность. Так, содержание углекислого газа в атмосфере из-за сжигания ископаемого топлива увеличилось за последние 100 лет на 25 %, что усиливает парниковый эффект и ведет к повышению температуры на поверхности Земли, которая выросла за двадцатое столетие на 0,5 градуса. Дальнейшее увеличение грозит непредсказуемыми последствиями для планеты.