Классическая астрономия и космогония

 

Астрономия и космогония в Новое время развивались очень динамично. Больших успехов добилась астрономия, которая в XVIII в. перешла от изучения Солнечной системы к наблюдению за звездами и туманностями – новыми типами космических объектов, открытыми выдающимся астрономом В. Гершелем. Позднее, только в XX в. выяснилось, что эти туманности – не что иное, как далекие галактики, подобные нашей. А тогда Гершель открыл свыше 2,5 тыс. новых туманностей, выявил закономерности в их структуре и тенденцию их объединения в скопления. Также он впервые попытался измерить размеры нашей Галактики и оценить размеры и расстояния до других туманностей. Кроме того, он установил существование двойных и кратных звезд, уточнил оценки блеска у 3 тысяч звезд, выяснил, что некоторые из них – переменные звезды.

В конце XVIII в. родилась научная космогония, не нуждавшаяся более в идее Бога для объяснения развития Вселенной. Первая космогоническая теория была создана великим немецким философом и ученым Иммануилом Кантом. Для того чтобы объяснить движение планет по их орбитам вокруг Солнца, Кант не стал прибегать к идее «первотолчка», а рассмотрел Солнечную систему в ее историческом развитии. Богу он оставил только создание материи в виде первоначального хаоса с присущими ей закономерностями. Далее, как считал Кант, мир обошелся своими силами, создав из разреженной материи, равномерно распределенной в пространстве, современную Вселенную.

Для этого были использованы силы притяжения (тяготения), отталкивания (по аналогии с газами) и химического соединения (различие частиц по плотности). В результате действия этих трех сил появились начальные неоднородности в распределении материи. Более плотные сгущения стали центрами притяжения более легких элементов. Но поскольку действовали и силы отталкивания, материя не собралась в одном месте, а образовала несколько сгущений.

Крупные сгущения нагревались от столкновения с частицами и постепенно превратились в Солнце и звезды. Не упавшие на Солнце частицы вращались вокруг него, образуя пояс, кольцо частиц. Затем в этом кольце в силу его неоднородности возникли новые центры тяготения. Концентрировавшееся в них вещество образовало планеты. Затем по тому же принципу образовались и спутники планет.

Модель Канта описывала образование не только одной Солнечной системы, но и Вселенной в целом. Он считал, что в ней постоянно возникают новые космические системы на все более далеких расстояниях от предполагаемого центра Вселенной, который он находил в районе Сириуса.

Разумеется, модель развития Вселенной Канта имела серьезные недостатки. Часть из них попытался исключить П. Лаплас, который подвел строгое математическое обоснование под космогоническую модель Канта. Но некоторые противоречия оказались неустранимыми. Например, не удалось объяснить распределение количества движения в Солнечной системе, которое в основном приходится на планеты, а не на Солнце, хотя масса Солнца во много раз больше массы всех планет в системе.

Тем не менее, космогоническая гипотеза Канта – Лапласа разрушила основы метафизического мировоззрения и классической науки, впервые убедительно показав, что природные системы развиваются и меняются со временем, что понять настоящее можно, лишь изучив историю этих систем. Таким образом, наука подошла к осознанию того, что нынешнее состояние Вселенной есть результат ее эволюции.

XIX век принес новые открытия как в астрономии, так и в космологии. В 1846 г. была открыта восьмая планета Солнечной системы – Нептун. Открытие принадлежало двум математикам-астрономам Д. Адамсу и У. Леверье, которые произвели математические расчеты, показавшие, что отклонения Урана от вычисленной орбиты происходят под действием массивного тела – еще одной планеты. Эти вычисления были переданы астроному Г. Галле, который и обнаружил в рассчитанном месте новую планету. Таким образом, границы Солнечной системы отодвинулись до 4,5 млрд км.

Во второй половине XIX в. возникла новая наука – астрофизика. Она должна была решить важнейшую астрономическую проблему – открыть строение звезд, определить основные этапы их эволюции, а также найти источник энергии, позволяющий звездам светить. Новая наука стала одним из первых примеров интеграции научного знания, возникнув на стыке астрономии, статистической механики и оптики. Она использовала новые открытия и технические изобретения, в частности спектральный анализ и фотографию. С их помощью удалось узнать химический состав солнечной атмосферы и звезд.

В результате астрофизических исследований в науке утвердилось представление о звездах, как об огромных газовых шарах, очень плотных и горячих в середине и разреженных на поверхности. Тогда же ученые попытались объяснить, почему звезды светят. Так, Р. Майер в 1848 г. предложил гипотезу о разогреве Солнца за счет падения на него метеоритов. Позже Кельвин и Гельмгольц выдвинули идею о гравитационном сжатии звезд как причине их горения. Но ни та, ни другая гипотезы не выдерживали критики. По этим гипотезам получалось, что время жизни звезды не может превышать нескольких десятков миллионов лет, в то время как возраст Земли к этому времени уже оценивался в несколько миллиардов лет. Таким образом, вопрос о причине свечения звезд оставался открытым.

Космологические парадоксы

 

К концу XIX в. появились серьезные сомнения и в классической космологической модели. В 1744 г. швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнения в пространственной бесконечности Вселенной. В то время о существовании звездных систем еще не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо – Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались по-разному. Можно было допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других мы бы видели бесконечно яркие пятна, в которые сливался бы свет бесконечного количества звезд. Но этого, как известно, нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, избавляют нас от фотометрического парадокса. Однако в 1938 г. академик В.Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газово-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию. Таким образом, парадокс остался. Его невозможно решить до тех пор, пока мы не откажемся от идеи бесконечности Вселенной.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, то Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до 20-х годов XX в., когда на смену классической космологии пришла модель конечной и расширяющейся Вселенной.

Третий, термодинамический парадокс также был сформулирован в XIX веке. Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы – закону сохранения энергии. Энергия не возникает из ничего и при превращении из одного вида в другой не исчезает. Общее количество энергии остается постоянным. Это первое начало термодинамики.

Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то время почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине XIX в. Кельвином и Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого вторым началом термодинамики, известным также как принцип возрастания энтропии, было особенно сильным еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.

Конечно, есть в природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка (энтропии) в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в природу, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти.

Встать на позицию Клаузиуса – значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет тепловая смерть. Таким образом, концепция тепловой смерти Вселенной, термодинамический парадокс заставили усомниться в вечности Вселенной во времени.

Опровергнуть второе начало термодинамики стало задачей для всех материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. немецкий физик Л. Больцман предложил вероятностную трактовку второго начала термодинамики. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, самопроизвольно идущие с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы можем наблюдать, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибните от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, хотя вероятность их осуществления близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования того уголка Вселенной, в котором живут люди.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная – безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Гипотеза Больцмана, хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую обязательность второго начала термодинамики, не смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому же расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.