Рис. 1.
Метеориты, которые зажигаются обычно на высоте около 150 километров и гаснут на 80 клм., часто
показывают в своем спектре линии водорода. Вегенер это считает за доказательство3) присутствия
водорода в атмосфере. Спектры северных сияний тоже подтверждают мысль о водородном слое; Вегенер приводит такую
табличку:
| Спектр северного сияния. | Число линий. | |
| У вершины сияния. | У подножия его. | |
| Спектру воздуха принадлежат | 9 | 8 |
| Спектру азота анодному | 2 | 4 |
| Катодному спектру азота | 10 | 14 |
| Спектру водорода | 8 | 1 |
| Неизвестной природы | 8 | 4 |
Нельзя здесь же не указать насколько вообще слабо аргументировано было Вегенером существование
в зоне северных сияний водорода в преобладающем над другими газами количестве. Все основано на 3-х сомнительных линиях в
присутствии 18 несомненных азотных линий и полос.
Что касается линий неизвестной природы, то главнейшей из них и в сущности самой сильной во всем
спектре северного сияния является линия с длиной волны 557 μ.
Успех открытия гелия, предсказанного сперва по желтой спектральной линии в атмосфере солнца, а затем
уже найденного и на земле, побудил к предположению, что ярко зеленая линия с длиной волны в 532 μ, характеризующая
самую внешнюю оболочку солнца — так называемую корону, отвечает тоже пока еще неоткрытому элементу Коронию.
Д. И. Менделеев приписал Коронию атомный вес 0,4 и поместил его в первый ряд и нулевую группу
своей системы.
Вегенер делает предположение, что неизвестный газ, именуемый им «геокороний» имеет нечто общее
с солнечным коронием, хотя их зеленые линии λ = 557 и λ = 532 отличаются друг от друга; он полагает, что в
сущности солнце и земля имеют одну общую атмосферу, при чем мостом, соединяющим нас с раскаленным светилом, служит
неоткрытый еще на земле газ с атомным весом 0,4.
К тому же 1912 году, что и работа Вегенера, относятся первые систематические наблюдения над
спектром северного сияния, произведенные профессором физики, в Университете в Христиании Ларсом Вегардом.
Норвежец по происхождению, Вегард на своей родине был в особо благоприятных условиях для наблюдений «северной
авроры».
Длинные ночи и иногда почти непрерывное свечение верхних слоев атмосферы давали ему возможность при
фотографировании спектров делать выдержки по 15—20 часов подряд; линии и полосы спектра, обычно трудно получаемые,
выходили часто на пластинках Вегарда даже с передержкой.
Еще в 1912—1913 годах Вегард сфотографировал и изучил синюю часть спектра северного сияния,
при чем показал идентичность полученных полос с отрицательным спектром азота. В 1921 году, после военного перерыва,
Вегард опять занялся северным сиянием и на этот раз очень точно определил длину волны загадочной зеленой линии,
которую Вегенер приписывал геокоронию.
В 1922—23 году Вегард отправился с целым набором очень хороших спектрографов в геофизический
институт в Тромсе на севере Норвегии, где и устроил наблюдательный пункт на крыше здания; спектрографы были заключены в
оболочки с автоматически поддерживаемой постоянной температурой, снимки производились на весьма чувствительных
пластинках, которые потом были промерены в лаборатории Христиании.
Всего было им найдено в спектре сияния 35 линий и полос; из этого числа 29 оказались в точности
соответствующими линиям и полосам в линейчатом, отрицательном и положительном полосатых спектрах азота; два можно было
приписать азоту с большой степенью вероятности и лишь четыре с длинами волн 5578,2; 4182,5;
3432,7, и 3208,3 нельзя было
идентифицировать и пришлось отнести к разряду неизвестных линий. Что всего замечательнее, ни одна из полученных линий
не отвечала спектру водорода, гелия или кислорода. Таким образом взгляд Вегенера о водородном слое, лежащем выше
100 километров, потерпел полный крах, но от этого теория северных сияний не сделалась проще и понятнее.
Штёрмёр уже довольно давно производил фотограмметрические определения высот северных сияний и
показал (в результате 150 измерений), что обычная высота сияний лежит в пределах от 40—200 километров; чаще всего
свечение наблюдается на высоте 100—150 километров, но нередко доходит до 400—500, а в некоторых случаях и до 750
километров над уровнем моря.
Между тем Ленард еще в 1911 году выяснил, что если мы примем обычный состав
атмосферы из кислорода и азота, то на столь больших высотах эти тяжелые газы не могут удерживаться в количестве
необходимом для достаточно интенсивного свечения под влиянием катодных лучей солнца.
Два противоположных стремления обусловливают распределение газа над землей: одно — это движение вниз
в силу закона тяготения, другое есть результат беспорядочного теплового движения самих газовых молекул. Слой молекул,
уже упавших на поверхность земли, не будет лежать на ней спокойно, но, наоборот, будет все время своим движением мешать
налетающим сверху молекулам упасть; каждая молекула, коснувшаяся земли, отразится от нее и, отлетая кверху, будет
ударять приближающиеся молекулы второго слоя, не подпуская их к земле; при этом одна и та же молекула может очень много
раз удариться о землю и подобно древнему великану Антею получать всякий раз после соприкосновения с ней как бы новую
силу для отражения молекул наседающих сверху.
Конечно, в хаосе молекулярного движения все зависит от случая, но все же
в среднем ясно одно: нижний слой молекул удерживает в силу своего теплового движения следующий кверху слой молекул от
окончательного падения; второй слой удерживает третий и т. д.
Таким образом, несмотря на существование силы тяжести, газ
может облекать землю очень толстым слоем, уменьшающейся кверху плотности. Математически нетрудно подсчитать зависимость
между высотою над уровнем океана и плотностью того или иного гава; понятно, что уменьшение молекулярного веса частиц, а
также повышение температуры газа будут способствовать газу в его стремлении кверху.
Принимая все это во внимание, а
также считая, согласно Вегенеру, что температура воздуха до высоты в 10 километров в среднем не ниже —23° С., а
в области от 10 до 110 километров равна —53° С., Вегард4) вычисляет давление азота на высоте
110 клм. равным 0.
Ясно, что полученные цифры противоречат опыту, так как в спектре северных сияний на высоте 110 клм.
линий водорода и гелия не оказалось. Вегард сделал проверочные опыты, приготовляя в лаборатории искусственные
смеси азота с водородом и азота с гелием и заставляя их светиться под влиянием катодных лучей.
Таким путем было
выяснено, что водород можно открыть по спектру, если он присутствует в количестве не меньшем 3—7%, а гелий дает о себе
знать лишь достигая 30% в газовой смеси. Таким образом для того, чтобы северное сияние дало спектр азота без водородных
и гелиевых линий, необходимо иметь на высоте 110 клм. азота по крайней мере в 15 раз больше, чем водорода и в 3 раза
больше чем гелия; следовательно, если давление азота там равно 0,055 дин на кв. сант.
, то H2 будет
иметь упругость 0,0037, т. е. ⁴/10.000 того, что принимал Вегенер, а гелий 0,015 дин
на кв. сант., т. е. ⁴/10.000 того, что выходит по Вегенеру. Но это еще не все: если
принять такие цифры для высоты в 110 клм., а дальше опять вычислять по газовым законам, получится, что на высоте в
120—130 клм. водород и гелий должны опять пересилить азот; однако, там и даже на высоте 300—400 клм. наблюдается
опять-таки лишь спектр азота без намека на H2 и He.
На основании этого экспериментального факта
Вегард отрицает существование водорода и гелия в верхних слоях атмосферы. В равной степени отрицательно относится
он и в гипотетическому геокоронию, для которого в современной периодической таблице нет и места, так как нам известно,
строение водородного атома, как простейшего из возможных элементов.
По Вегарду атмоофера, начиная с высоты 100 клм. состоит исключительно из азота анормально
большой плотности.
Линдеман и Добсон пытались недавно вычислять плотность газа, необходимую для того,
чтобы метеоры загорались при прохождении через него; при этом названные авторы пришли к заключению, что плотность
ненормально велика на больших высотах.
Если теория метеоритов потребовала 300° абс. шк., то для северных сияний по Вегарду
недостаточно и этой температуры. Если даже принять гипотезу горячей атмооферы с температурой в 300° абс. шк., то на
высоте 500 клм. упругость азота была бы 10-21 дин на кв. сант., т. е.
в каждых 10 куб. метрах находилась бы
всего лишь одна молекула. Для того, чтобы газ такого разрежения светился с подобающей интенсивностью, необходим
чудовищно сильный поток электронов, содержащий приблизительно в каждом куб. сантиметре 1019 электронов, т. е.
столько же, сколько находится нейтральных молекул в одном куб. сантиметре газа при нормальных условиях.
Ясно, что такой
плотности поток не может исходить от солнца; нет сомнения, что плотность азота на высоте 500 клм. гораздо больше.
Вычисление показывает, что для соблюдения хоть сколько-нибудь вероятных условий свечения плотность азота должна быть
отвечающей температуре не меньше 800° С.; такое обстоятельство, однако, в высшей степени невероятно и для объяснения
анормально большой плотности материи на высотах надо признать не температуру, но какой-либо иной фактор, действующий в
обратную с земным тяготением сторону.
Нельзя не признать весьма оригинальной и блестящей мысль Вегарда об участии
здесь сил электрических. Земля, как известно, заряжена отрицательно, атмосфера, наоборот, имеет положительный заряд,
поддерживаемый вследствие фото-электрического эффекта; особенно силен процесс в верхних слоях атмооферы, где
ультра-фиолетовые, X и γ излучения солнца вырывают из молекул электроны, уходящие в мировое пространство.
Распределение силовых линий в атмосфере таково, что ниже некоторого нулевого уровня электрические силы направлены книзу
и помогают силе тяжести, выше же они тянут заряженные положительно частицы кверху, создавая этим противодействие тяжести
и содействуя накоплению материи в высочайших слоях атмосферы.
Если обычный закон изменения давления газа p с высотой h выражается через
dp = —ρgdh,
где ρ плотность газа, а g ускорение силы земного притяжения, то в случае
существования электрической силы F при плотности электричества (электрич. заряд на единицу объема) σ
мы имеем
dp = —(ρg — σF)dh
электрическое отталкивание от нижележащих одноименно заряженных частиц, как бы уменьшает вес частиц.
Легкие газы вроде водорода или гелия, очевидно, и не могут удержаться в верхних частях атмосферы вследствие того, что
электрическое отталкивание выбрасывает их из сферы влияния земного шара как-только соответствующие атомы H и
He получат под влиянием солнечных излучений положительный заряд.
Сила, толкающая азотную молекулу кверху, также гораздо больше силы земного притяжения, и потому,
чтобы азоту не потеряться подобно H и He, необходимо, чтобы молекулы его соединялись вместе в тяжелые
комплексы или кристаллики.
hv = ½ mv2 = eV
мы имеем для потенциала V величину равную 41 электростатической единице. Это в свою очередь
отвечает отталкивательной силе F в 6.1·10—8 электростатич. единиц.
Для того, чтобы материальная частица не была отброшена в мировое пространство, необходимо
mg > F·e; принимая во внимание массу азотной молекулы, получаем условие: F < 10—10
электростатич. единиц.
Следовательно существующая электрическая сила в 600 раэ больше той, которая была бы достаточна, чтобы
выбросить все азотные молекулы, лежащие вокруг земли выше некоторого нулевого уровня. Единственным объяснением того, что
азот имеется на большой высоте по Вегарду следует считать способность этого газа (в противоположность H и
He) легко переходить в жидкое и твердое состояние.
В виде таких капелек или даже скорее кристалликов азот и висит
над землей подобно громадному пылевому облаку. О низкой температуре пылевой зоны говорит и то обстоятельство, что спектр
северных сияний гораздо ближе подходит по своей бедности полосами к спектру азота при температуре жидкого воздуха, чем
к спектру того же азота при комнатной или повышенной температурах.
Переход от газа к пыли совершается на высоте около 90—100 клм.; между 100 и 120 клм.
плотность материи велика, выше она мала, но убывает с высотой очень медленно.
Системы система состав: водород, гелий, азот, кислород, пары
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПЛАНЕТОЛОГИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА
Происхождение Вселенной и Земли. Эволюция Вселенной
До 20-х годов прошлого столетия астрофизики считали, что наша Вселенная является стационарной. А. Эйнштейном выведены были специальные гравитационные уравнения для описания стационарной Вселенной. На основе новых решений А.А. Фридман (1888-1925гг, советский математик и геофизик) установил, что наша Вселенная нестационарна и она расширяется. Исходя из этих данных Г.А. Гамов (1904-1968гг, род. в России, с 1934 г в США) в 1946 предложил модель горячей Вселенной, ныне принятую подавляющим большинством исследователей процессов эволюции Вселенной.
В соответствии с этой моделью Вселенная в момент времени 10-44 сек после Большого взрыва представляла собой квазиточку размером 10-33 см, плотностью ~ 1093 г/см3 и температурой свыше 10330К. Такая частица получила название суперадрона. Большой взрыв произошел примерно 15…20 млрд. лет тому назад и Вселенная с этого момента стала расширяться, представляя собой высокотемпературную плазму* примерно порядка 3-х миллиардов лет, пока не остыла примерно до 3000 0К и не появилась возможность образования нейтральных атомов (в основном, водорода, гелия).
Этап эволюции расширяющейся Вселенной астрофизики разделяют на 4 эры (см. схему): а) адронная, б) лептонная, в) излучения, г) вещества. В последней стали возникать атомы водорода и гелия, из которых в последующем образовались галактики, черные дыры, звёзды, планеты и др. космические объекты.
Галактики стали формироваться спустя примерно 3 млрд. лет после начала расширения Вселенной в местах скопления облаков нейтринного газа, представляющего собой так называемые гравитационные ямы. При скоплении в таких местах неоднородностей порядка 1040 т начинают возобладать процессы сдавливания вещества преимущественно в двух противоположных направлениях. Всего астрономы выделяют 4 типа галактик: эллиптические, спиральные, линзовидные и неправильные.
Во Вселенной в настоящее время насчитывается 1011…14 Галактик. Наша Галактика (Млечный путь) относится к спиральному типу. В ней порядка 200 млрд. звёзд общей массой 3×1038 т.
Формирование звёзд начинается сразу после образования Галактик. Солнце образовалось около 5 млрд. лет назад, его масса составляет 2×1027 т(Мс). В нашей Галактике на звёзды приходится 97% всей её массы. Остальная часть материи распределена в виде межзвёздного газа и пыли.
Схема
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ, ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ (по Г.А. Гамову)
Супер-
адрон Т = 10-44с; D = 10-33 см; r = 1093 г/см3; t0 =1033 0К.
В Эры:
с Барионы, мезоны
е адронная Взрыв D = 10-33…109 км, r = 1093…1015, t0 =1033…1012
л Т=10-44…10-4 с Мюоны, электроны, позитроны, нейтрино, антиней-
е лептонная трино, фотоны
н Т= 10-4…10с D = 109…3×1012 км, r = 1015…1.5×105, t = 1012…1010 0К
н излучения Электроны, протоны, ядра гелия, фотоны
а Т= 10с…106 лет D = 3×1012…6×1020км, r = 1.5×105…10-20, t = 1010…3×103 0К
я Атомы, квазары, черные дыры, галактики, звёзды,
вещества планеты
Т= 106…2×1010лет D = 6×1020…2×1023км, r =10-20…3×10-29 г/см3, t = 3×103 0К
Всего Галактик 1011…14, звезд в них — 7×1022
ГАЛАКТИКИ МЛЕЧНЫЙ ~ 200 млрд. звезд с m = 3×1038 т
ПУТЬ V = 600 км/c, диаметр 100 тыс. свет. лет,
эллиптические, толщина 1 тыс. свет. лет
спиральные,
линзовидные, ЗВЁЗДЫ, На все звёзды приходится 97% массы Галактики.
неправильные планеты Звезды с массами 0,1 Mc< M <10 Mc, (Mc =2×1027 т)
Звездные CОЛНЕЧНАЯ Т = -220° С. Облако имело массу 2…3 Mc
системы СИСТЕМА Состав: водород, гелий, азот, кислород, пары
воды, метила и углерода;
Излучает энергию оксид кремния, магния, железа.
3.9 ×1020 МВт
нормальный карлик,
желтый цвет
Планеты – это тела с m = 1017 – 1026 т;
СОЛНЦЕ ПЛАНЕТЫ Меркурий, Венера, Земля, Марс, пояс
Астероидов, Юпитер, Сатурн, Уран,
Нептун, Плутон, 10-ая планета, пояс
Rc = 696265 км ЗЕМЛЯ астероидов: Облако Орта.
Rядро = 0,3 Rc MЗ = 5.976 ×1021 т; r =5.517 г/см3;
Mc = 2 ×1027 т ω = 7.29211·10-5с-1; RЗ =6371 км;
r = 1,41 г/см3 (ядро 150 т/см3) ЛУНА ωр = 50.25″/год; H=1/305.51;
t = 14 млн. ° С Vcолнца = 250 км/c;
Состав: водород 70% , Время обращения Солнца вокруг
гелий 27%, тяжелые эл-ты 3% центра Галактики 212 млн. лет.
* Плазма – ионизованный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Плазма подразделяется на высокотемпературную (Т~106…108 0К) и низкотемпературную (Т~105 0К).
P.S. Единицы измерения расстояний в космическом пространстве:
1 а.е. = 149600000 км
1пк(парсек) = 206265 а.е. = 3.26 св. лет
1 св. год = 9.46·1012 км
Звёзды и их планетные системы образуются из газопылевых туманностей. Академик О.Ю. Шмидт, изучая эту проблему, пришёл к заключению, что Солнце и планеты образовались не из горячей, а из холодной газопылевой туманности. Ранее Кантом-Лапласом развивалась гипотеза о происхождении Солнца и планет из горячей газопылевой туманности. В общей сложности процесс образования Солнца занимает порядка 50 млн. лет. Планеты формируются на периферии этого газопылевого облака. Образование землеподобных планет происходит в течение ~100 млн. лет. В настоящее время считается, что Солнце образовалось 4.6, а землеподобные планеты – 4.55 млрд. лет назад. Процесс формирования Юпитера и Сатурна протекал порядка 100 млн. лет, а Урана и Нептуна – 0.5 млрд. лет. Плутон же, возможно, ещё не закончил этот процесс.
Рассмотренный процесс образования звёзд и планет подтверждают данные астрономии. В Галактике много аналогичных облаков. Процессы образования звёзд и планет в ней до сих пор продолжаются. Области звёздообразования обычно имеют размеры 0.5…10 световых лет, массу (102…106)Мс, светимость (103…107)Lc и плотность газа 104…106 атомов/см3. Ряд таких объектов зафиксирован от нас на расстоянии 1.5…30 тыс. световых лет. Такие газопылевые облака имеют температуру 20…70 °К. Многие из туманностей, обнаруженных в нашей Галактике, излучают радиоволны сверхвысокочастотного диапазона. Они получили название мазеров.
На Солнце, планетах земной группы и в метеоритах встречаются практически все химические элементы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Тяжелые химические элементы в газопылевое облако могли попасть лишь при взрыве сверхновых звёзд. Исследователи установили, что 85% всех тяжелых химических элементов, встречавшихся в горных породах Земли, Луны и метеоритах, образовались 9…10 млрд. лет назад, т.е. в ранний период существования Галактики. Однако 11…13% тяжелых элементов имеют возраст около 5 млрд. лет, т. е. были «впрыснуты» в газопылевую туманность перед началом образования Солнечной системы. Кроме того, сама вспышка сверхновой звезды явилась тем спусковым механизмом, который способствовал ускорению образования Солнечной системы. Эту мысль высказал советский астроном С.К. Всехсвятский.
Тем не менее, со временем на основе экспериментальной проверки абстрактных построений, подтверждения их наблюдательными данными, осмысления и сопоставления результатов исследований в астрономии и физике, происходит их адекватная оценка, что позволяет развивать на новом уровне познания и иные теории развития Вселенной. С одной из таких теорий, рожденной за последние 20-30 лет, развивающей идею множественности вселенных, следует привести как альтернативную. Материалы использованы из журнала «В МИРЕ НАУКИ» за июль 2005 № 7Тины Катаевой, побеседовавшей с одним из авторов этой теории Андреем Линде:
««Проблемы космологии
Очередной шаг на пути дальнейшего развития космологии сделал создатель теории хаотической инфляции, воспитанник Московского государственного университета, ныне профессор Стэнфордского университета Андрей Дмитриевич Линде, внесший существенный вклад в понимание самой ранней стадии развития Вселенной. Многие годы он проработал в одном из ведущих академических российских институтов — Физическом институте им. Лебедева Академии наук (ФИАН), занимался следствиями современных теорий элементарных частиц, работая вместе с профессором Давидом Абрамовичем Киржницем.
В 1972 г. Киржниц и Линде пришли к выводу, что в ранней Вселенной происходили своеобразные фазовые переходы, когда различия между разными типами взаимодействий вдруг исчезали: сильные и электрослабые взаимодействия сливались в одну единую силу. (Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, осуществляемых кварками и лептонами посредством обмена безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие), создана в конце 1960-х гг. Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом.) В дальнейшем Линде сосредоточился на изучении процессов на еще более ранних стадиях развития Вселенной, в первые 10-30 с после ее рождения. Раньше казалось маловероятным, что до нас может дойти эхо событий, происходивших в первые миллисекунды рождения Вселенной. Однако в последние годы современные методы астрономических наблюдений позволили заглянуть в далекое прошлое.
Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов. Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В «Теоретической физике» Ландау и Лившица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «Что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла.
Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей на поверхность сферы, линии, которые были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется настолько плоской (по последним данным — с точностью до 10-60)? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой Вселенная на самом раннем этапе развития.
Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звезды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность распределения вещества в космических масштабах, окажется, что она одинакова во всех направлениях с точностью до 10-5. Почему же Вселенная везде однородна? Вообще говоря, все объясняется космологическим принципом Эйнштейна: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Но так ли это?
Сомнения возникали всегда, и чем больше ученые узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались о них не думать, воспринимая большую однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Проблема реликтовых монополей стала последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной.
КВАНТОВАЯ ПЕНА
Разработка инфляционных сценариев в космологии завершилась, по словам одного из авторов А. Д. Линде, созданием теории хаотической инфляции. В его сценарии становление Вселенной описывается как случайное следствие хаотического «кипения» пространственно-временной квантовой пены. Процесс рождения вселенных в такой пене не только случаен и хаотичен, но и бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мертвыми, третьи лишены времени и развития, а четвертые заполняются галактиками, звездами, планетами и становятся подобны нашей Вселенной.
Пересмотр теории ранней Вселенной
Одна из трудностей, с которой сталкивается традиционная теория Большого взрыва, — необходимость объяснить, откуда взялось колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. На этот и ряд других вопросов попытались ответить авторы теорий раздувающейся Вселенной.
Инфляционная теория. В 1980 г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье «Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности» изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10-35 до 10-32 с. Гус предположил, что скорость расширения Вселенной была высока в течение более длительного времени, чем предполагалось ранее. Примерно через 10-35 с Вселенная перешла в состояние псевдовакуума, при котором ее энергия исключительно велика. Поэтому расширение (раздувание) происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва. Через 10-35 с после рождения мира не было ничего, кроме черных мини-дыр и «обрывков» пространства. При резком раздувании участки «пены» превратились в отдельные вселенные. Некоторые из них, возможно, оказались вложенными друг в друга. Следовательно, может существовать множество вселенных, недоступных для нашего наблюдения.
Инфляционная теория была основана на так называемой теории фазовых переходов в ранней Вселенной. В отличие от Стробинского, Гус придумал некий механизм и постарался с помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также почему монополей нет. Модель такого решения не давала. Так же трудно было объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. Несмотря на ряд противоречий и трудностей, модель Гуса стала значительным достижением космологии и стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной.
Новая инфляционная теория. В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном анализе фазовых переходов в модели Великого объединения. Он пришел к выводу, что экспоненциальное расширение не заканчивается образованием пузырьков, а инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. (В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.)
В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода. Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы не нужны, равно как переохлаждения и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т.к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах, переохлаждении, которым соответствовали наблюдательные данные. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.
Хаотическая инфляция. Идея, лежащая в основе теории хаотической инфляции Линде, очень проста. Существуют направленные поля — электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное, но может быть по крайней мере еще одно — скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат.
Начиная с 1970-х гг. в теории элементарных часто использовалась концепция скалярного поля, самым близким аналогом которого можно считать электростатический потенциал. Напряжение в электрических сетях США — 110 В, а в России — 220 В. Если бы человек одной рукой держался за американский провод, а другой — за российский, его бы убила разница потенциалов. Если бы напряжение везде было одинаковым, не было бы разницы потенциалов и ток бы не тек. Так вот в постоянном скалярном поле разницы потенциалов нет. Поэтому мы не можем увидеть постоянное скалярное поле: оно выглядит как вакуум, который в некоторых случаях может обладать большой плотностью энергии.
Считается, что без полей такого типа очень трудно создать реалистичную теорию элементарных частиц. В последние годы были обнаружены практически все частицы, предсказанные теорией электрослабых взаимодействий, кроме скалярной. В рамках земной экспериментальной физики наблюдательное подтверждение инфляционной теории пока остается трудноразрешимой задачей. Однако уже активно ведется поиск скалярных частиц, для чего в CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) построен огромный ускоритель, так как их обнаружение представляет чисто техническую проблему.
РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ АЛАНА ГУСА
Модель Гуса использует представление о «ложном» вакууме, из которого началась инфляция Вселенной. Он отличается от «истинного» (т.е. от состояния с самой плотностью энергии) тем, что может обладать огромной энергией. Нарушение принципа энергодоминантности, характерное для вакуума, наделяет его отрицательным давлением, которое приводит к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему раздувание Вселенной. При расширении ложного вакуума его полная энергия не уменьшается, а растет. Если вероятность образования пузырьков очень мала, то до их возникновения Вселенная быстро расширяется и становится большой и однородной.
В целом «ложный» вакуум — симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, т.е. он стремится к распаду. Квантовый распад вакуума и знаменует собой конец фазового перехода и прекращение инфляции. Новая фаза представляет собой «истинный» вакуум, для которого выполняется условие энергодоминантности. Внутри каждого пузырька новой фазы Вселенная переходит во власть гравитационного притяжения, и экспоненциальное расширение заканчивается. Благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, она продолжает расширяться, но скорость с течением времени уменьшается, как в теории горячей Вселенной.
Переход из стадии инфляции на стадию, описываемую теорией горячей Вселенной, представляет основную трудность для модели Гуса. Дело в том, что для того, чтобы энергия, выделяемая при фазовом переходе, перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо столкновение стенок огромных пузырей при достаточно большой плотности. Это противоречит малой скорости их образования, необходимой для замедления фазового перехода, и, следовательно, для значительного раздувания Вселенной. Кроме того, столкновения пузырьков должны приводить к нарушению однородности и изотропности Вселенной после раздувания, что противоречит поставленной задаче.
Скалярное поле
Скалярное поле присутствовало практически во всех инфляционных сценариях. Гус предложил использовать потенциал, который выглядел очень своеобразно. Новой инфляционной теории Линде требовался потенциал, которому соответствует почти плоская вершина, но позже оказалось, что достаточно взять обычную параболу, и все срабатывает.
Рассмотрим простейшее скалярное поле (см. выше «РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ АЛАНА ГУСА»), плотность потенциальной энергии которого пропорциональна квадрату его величины, подобно тому как энергия маятника пропорциональна квадрату его отклонения от положения равновесия:
Маленькое поле ничего не будет знать про Вселенную и станет колебаться вблизи своего минимума. Однако если поле будет достаточно велико, то оно будет скатываться вниз очень медленно, разгоняя Вселенную за счет своей энергии. В свою очередь, скорость движения Вселенной (а не какие-либо частицы) будет затормаживать падение скалярного поля.
Таким образом, большое скалярное поле приводит к большой скорости расширения Вселенной. Большая скорость расширения Вселенной мешает полю спадать и тем самым не дает плотности потенциальной энергии уменьшаться. А большая плотность энергии продолжает разгонять Вселенную со все большей скоростью. Этот самоподдерживающийся режим и приводит к инфляции, экспоненциально быстрому раздуванию Вселенной.
Чтобы объяснить этот удивительный эффект, необходимо совместно решить уравнение Эйнштейна для масштабного фактора Вселенной:
и уравнение движения для скалярного поля:
Здесь Н — постоянная Хаббла, пропорциональная плотности энергии скалярного поля массы m, G — гравитационная постоянная.
Исследователи уже рассматривали, как скалярное поле будет вести себя в окрестностях черной дыры и во время коллапса Вселенной. Но почему-то одно простое решение не было найдено. А следовало лишь грамотно написать уравнение для скалярного поля , которое в стандартном варианте (то есть без учета расширения Вселенной) выглядело как уравнение для маятника:
Но вмешался некоторый дополнительный член — сила трения, который был связан с геометрией; его сначала никто не учитывал. Он представляет собой произведение постоянной Хаббла на скорость движения поля:
Когда постоянная Хаббла была большой, трение тоже было велико, и скалярное поле спадало медленно. Когда поле уменьшилось, постоянная Хаббла тоже уменьшилась, трение стало маленьким, и поле начало колебаться, порождая элементарные частицы. Эти частицы сталкивались, обменивались энергией и постепенно пришли в состояние термодинамического равновесия. В результате Вселенная стала горячей. Раньше считалось, что она была горячей с самого начала. К этому выводу приходили, изучая микроволновое излучение, которое интерпретировали как следствие Большого взрыва и последующего остывания. Затем стали думать, что сначала Вселенная была горячей, затем произошла инфляция, и после нее Вселенная вновь стала горячей. Однако, в теории хаотической инфляции первая горячая стадия оказалась ненужной.
Экспоненциальное расширение
Представим, что Вселенная была маленькая, как шарик. По теории Большого взрыва, она вырастала до порядочных размеров, но все равно оставалась относительно небольшой и шарообразной. А согласно инфляционной теории, крошечный шарик в результате экспоненциального взрыва за очень короткое время стал огромным. Находясь на нем, наблюдатель увидел бы плоскую поверхность.
Представим себе Гималаи, где существует множество различных уступов, расщелин, пропастей, ложбин, каменных глыб, т.е. неоднородностей. Но вдруг кто-то или что-то совершенно невероятным образом увеличил горы до гигантских размеров или мы уменьшились, как Алиса в Стране чудес. Тогда, находясь на вершине Эвереста, мы увидим, что она совершенно плоская — ее как бы растянули, и неоднородности перестали иметь какое-либо значение. Горы остались, но, чтобы подняться хотя бы на один метр, нужно уйти невероятно далеко. Таким образом, может быть решена проблема однородности. Этим же объясняется, почему Вселенная плоская, почему параллельные линии не пересекаются и почему не существуют монополи. Параллельные линии могут пересекаться, и монополи могут существовать, но только так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть.
Возникновение галактик
Маленькая Вселенная стала колоссальной, и все стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики — это результат квантовых флуктуаций, т.е. усиленный и замерзший квантовый шум.
Впервые на эту поразительную возможность указали сотрудники ФИАН Вячеслав Федорович Муханов и Геннадий Васильевич Чибисов в работе, основанной на модели, предложенной в 1979 г. членом-корреспондентом Академии наук Алексеем Александровичем Старобинским. Эта модель, по сути дела, являлась первой версией инфляционной космологии.
ПРИНЦИП МАЯТНИКА
Представим, что изначально во Вселенной существовало однородное скалярное поле. Если скалярное поле равно нулю, то энергии нет, и оно будет находиться в статичном состоянии. Если поле не равно нулю, оно начнет катиться вниз, стремясь к минимуму и постепенно меняя амплитуду. Если в общем объеме пространства оно характеризовалось цифрой 100, то потом стало 50, затем 30 и так до нуля.
Скалярное поле подобно маятнику, который хочет упасть в минимум, но промахивается и начинает колебаться. (В простейшем случае энергия пропорциональна квадрату отклонения.) В обычной жидкости колебания маятника станут затухающими, а в очень вязкой жидкости он будет медленно-медленно двигаться вниз. Оказалось, что эта простая идея имеет непосредственное отношение к расширению Вселенной.
Вечная и бесконечная
Рассмотрим вышеприведенный рисунок. В области, где скалярное поле мало, оно осциллирует, и Вселенная не расширяется экспоненциально. В области, где поле достаточно велико, оно медленно спадает, и на нем возникают маленькие флуктуации. В это время происходит экспоненциальное расширение и идет процесс инфляции. Если бы скалярное поле было еще больше (на графике отмечено голубым цветом), то за счет огромного трения оно бы почти не уменьшалось, квантовые флуктуации были бы огромны, и Вселенная могла стать фрактальной.
Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное поле, вместо того чтобы катиться к минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низко расположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объема новой области. Инфляционная теория дает нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна и выглядит как огромный фрактал.
На рисунке схематически показано, как одна раздувающаяся область Вселенной порождает все новые и новые ее части (в этом смысле она становится вечной и самовосстанавливающейся). Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут быть различны, равно как и размерности пространства, и типы вакуума. Этот факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории, с одним минимумом потенциальной энергии скалярное поле катится вниз к этому минимуму. Однако более реалистические версии допускают множество минимумов с разной физикой, что напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Разные части Вселенной также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учета квантовых флуктуаций.
Следующим шагом, основанным на изучении квантовых флуктуаций, является сценарий самовосстанавливающейся Вселенной. В этой модели учитывается процесс постоянного воссоздания раздувающихся областей, перебирающих разные возможности и размерности. Так Вселенная становится вечной и бесконечной. Вся Вселенная никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объема Вселенной все время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объемы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.
Исследовать анизотропию реликтового излучения ученым помогают современные искусственные спутники Земли. Самые ценные данные удалось получить с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного так в честь астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson). Разрешающая способность его аппаратуры в 30 раз больше, чем у его предшественника — космического аппарата COBE.
Ранее считалось, что температура неба равна 2,7 0К, однако WMAP смог измерить ее с точностью до 10-50К с высокой угловой разрешающей способностью. Согласно данным, полученным за первый год наблюдений, небо оказалось неоднородным: где-то горячее, а где-то холоднее. Простейшие модели инфляционной теории предсказали рябь на небе. Но пока телескопы не зафиксировали его пятнистость, наблюдалось только трехградусное излучение, служившее мощнейшим доказательством горячей Вселенной. Теперь же выяснилось, что теории горячей Вселенной не хватает. Удалось получить фотографии раздутых квантовых флуктуаций, которые появились спустя 10-30 с после рождения мироздания и сохранились до наших дней. Исследователи не только обнаружили пятнистость неба, но и изучили спектр пятен, т.е. интенсивность сигнала на разных угловых направлениях.
Результаты проведенных с помощью WMAP высокоточных измерений поляризации излучения подтвердили теорию расширения Вселенной и позволили установить, когда произошла ионизация межгалактического газа, вызванная самыми первыми звездами. Полученная со спутника информация подтвердила положение инфляционной теории о том, что мы живем в большой плоской Вселенной. На рисунке (вверху) сплошной линией показано предсказание инфляционной теории, а черные точки соответствуют экспериментальным данным WMAP. Если бы Вселенная не была плоской, то пик графика находился бы правее или левее.
В рамках эксперимента, проводимого с помощью WMAP, составляется карта поляризации реликтового излучения, которая, согласно гипотезе, тоже должна быть пятнистой. Предполагается, что существует корреляция между температурой и поляризацией. Однако подтвердить или опровергнуть это смогут только результаты второго года работы.
Расширение Вселенной
Предположим, что Вселенная, заполненная пылью, расширилась в 2 раза. Тогда ее объем вырос в 8 раз. Значит, в 1 см3 стало в 8 раз меньше пыли. Если решить уравнение Эйнштейна для такой Вселенной, то станет очевидным, что, когда происходил Большой взрыв, плотность вещества быстро падала, а скорость расширения Вселенной быстро уменьшалась.
То же самое было бы и со скалярным полем. Но пока поле оставалось очень большим, оно само себя поддерживало.
В соответствии с теориями нового типа Вселенная быстро расширялась, а поле почти не менялось; соответственно, не менялась и плотность энергии. Значит, расширение шло экспоненциально, и скорость разбегания Вселенной долго не уменьшалась.»»
Планеты
Под планетами понимают космические тела массой 1017…1026 т. Вещество в них находится в конденсированном состоянии и эволюционирует за счет процесса гравитационной дифференциации, радиогенной энергии и т.д. В объектах с массой, на порядок больше указанного предела, начинают протекать термоядерные реакции, свойственные звёздам.
К настоящему времени достоверно установлено наличие 10 планет в Солнечной системе.
В планетологии планеты делятся на две группы: внутренние – Меркурий, Венера, Земля, Марс – и внешние – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Все внутренние планеты подобны Земле и имеют сравнительно небольшие размеры и высокие плотности за счет содержания тяжелых оксидов и наличия железистого ядра. Кроме того, планетам земной группы характерны повышенная концентрация углерода, азота и кислорода и недостаток водорода и гелия. Внешние планеты делятся на две подгруппы: планеты-гиганты – Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из смеси водорода и гелия, и планеты Уран, Нептун и Плутон, в состав которых входит водород в соединении с углеродом, азотом и кислородом (в основном вода в жидком и льдистом состоянии). Последняя из хорошо известных планет Плутон своей орбитой с радиусом около 6 млрд. км очерчивает границы Солнечной системы. Плутон не относится к планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.
Между внутренними и внешними планетами располагается пояс каменных астероидов, состоящий из 2300 непосредственно астероидов, множества мелких тел – метеоритов и метеорной пыли, а также нескольких десятков тысяч комет, двигающихся по сильно вытянутым орбитам, некоторые из которых далеко выходят за границы Солнечной системы.
Далее за Плутоном, как полагали ученые и получившие недавно подтверждение, располагается ещё одна 10-я по счету планета, названная Седной — в честь морского божества эскимосского племени инуитов, удалённая от Солнца на расстояние 50…100 астрономических единиц (а. е.). Судя по всему, это она была недавно зафиксирована инфракрасным телескопом Spitzer. Ещё далее на расстоянии 2…20 тыс. а. е. расположено внутреннее Облако Оорта (астероидных тел) с массой, превышающей массу Солнца в 104 раз. Еще далее (20…50 тыс. а.е.) располагается собственно Облако Оорта с массой в 100 раз больше Солнца.
Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью определяются законами Кеплера.
Теория катастроф
Как полагают американские астрофизики, причиной космических катастроф служит 10-ая планета, движущаяся по орбите, наклоненной на 45° к плоскости эклиптики (в которой расположены планеты) и возмущающей пояс астероидов в Облаке Оорта.
Некоторые исследователи выдвигают гипотезу о существовании у Солнца двойника – Немезиды, имеющей массу 0.08…0.3 Мс, движущейся по весьма вытянутой орбите и приближающейся близко к Солнцу с периодичностью 26…28 млн. лет. Приближение Немезиды к Солнцу оказывает возмущающее действие на малые космические тела (астероиды и др.) в Облаке Оорта и др. Столкновение их с планетой вызывает поднятие а атмосферу огромного количества пыли, в результате снижается прозрачность атмосферы и происходит снижение температуры на 5…7 °С. Это приводит к гибели очень многих видов живых организмов на Земле.
Часть астрофизиков причину возмущения астероидных и кометных поясов связывает с пересечением Солнечной системой галактической плоскости с периодичностью около 31 млн. лет.
Планетная система Земля – Луна
Земля и её спутник Луна образуют систему, которая в известном смысле является уникальной для всей Солнечной системы: отношение масс Луны и Земли равно 1:81.3, что чрезвычайно велико для спутника. Около 80% момента количества движения системы приходится на долю орбитального движения Луны.
В этой связи наблюдается одно интересное явление, возникающее под действием взаимного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.
Представим Луну в виде материальной точки, расположенной на расстоянии r от центра Земли. Радиус планеты Земля положим равным единице, т.е. R=1, и рассмотрим, какое притяжение испытывают точки на поверхности Земли (А), на том же меридиане на противоположной стороне (В) и в центре — в точке (О). Пусть эти точки имеют единичную массу. Положив массу Луны m, для каждой точки в соответствии с законом тяготения можно написать выражения:
Найдем разность ускорений силы тяжести материальных точек А и О:
Поскольку расстояние r и 2r много больше единицы, то последней в числителе и знаменателе можно пренебречь. В итоге получим:
Выражение характеризует приливообразующую силу внутри и на поверхности Земли, которая обратно пропорциональна кубу расстояний между планетой и ее спутником.
Под действием силы ōg точка А удаляется от точки О в направлении к Луне, образуя своеобразный горб на поверхности планеты – прилив. Но точка О в свою очередь также притягивается Луной на большую амплитуду, чем точка В, расположенная на обратной стороне Земли. Поэтому и на обратной стороне поверхности планеты образуется приливное вздутие. Одновременно с двумя областями прилива, в точках квадратур, т.е. районах, отстоящих на 900 по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив. В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превышает 1-2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения Луны и Солнца. Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и ее спутника. По этой причине Луна уже давно прекратила свое вращение вокруг оси и постоянно обращена к планете одной стороной. Уменьшение скорости вращения Земли составляет 2 с за каждые 100 тыс. лет. За последние 450 млн. лет она уменьшилась с 21 часа 53 мин до 24 часов в настоящее время.
Гипотезы на происхождение Луны:
1. Луна отделилась от Земли на раннем периоде её истории.
Но имеет ли эта гипотеза право на существование? Обратимся к материалам.
Поскольку масса Земли в 81 раз больше массы Луны, то величина приливного ускорения на поверхности спутника будет примерно в 20 раз больше, чем на Земле, и теоретическая высота твердого прилива может достигать нескольких метров. В связи с этим возникает вопрос о предельно допустимом расстоянии, на которое могут сблизиться спутник и планета в ходе своей эволюции. Для этого приравняем приливной потенциал Земли к ускорению свободного падения на поверхности Луны:
После преобразований получим: 
Здесь m, r0 – масса и радиус спутника; M – масса планеты; r – расстояние между планетой и спутником. Полученное выражение называется пределом Роша. Спутник, попавший внутрь предела Роша вследствие многокилометровой приливной волны, будет неизбежно разрушен и превращен в каменное кольцо вокруг планеты. Не менее катастрофичными станут последствия такого сближения и для планеты. Гигантский приливной горб высотой многие сотни метров, прокатившись многократно по мере сближения спутника по поверхности, перемелет в пыль горы и равнины, реки и моря планеты, а приливное трение раскалит поверхность разрушившихся пород. Резко затормозится скорость вращения планеты, что вызовет изменение ее фигуры и сопутствующие этому процессу землетрясения. Поверхность планеты претерпит катастрофические разрушения. В свете сказанного гипотеза об образовании Тихого океана путем отрыва Луны представляется просто наивной. При входе в зону Роша она была бы превращена в пыль, сквозь которую мы до сих пор не могли бы видеть солнечного света, не говоря уже о том, что в геологической истории Земли подобной катастрофы не запечатлено.
2. Луна и Земля образовались вместе в виде двойной системы.
3. Луна была захвачена Землёй либо на раннем этапе её истории, либо в более позднее время.
Сведения о Луне
Луна расположена от центра Земли на среднем расстоянии 384 тыс. км. Ее средний радиус 1738 км. Радиус видимой стороны Луны на 6 км короче радиуса ее невидимой стороны. Масса Луны равна 7.35·1019 т, средняя плотность – 3.344 г/см3. Перепады высот от впадин до вершин возвышенностей составляют 11.5 км.
Поверхность Луны покрыта тонким слоем пыли-реголита, образовавшейся под действием солнечного ветра, космических частиц и бомбардировки микрометеоритами. Лунная кора в районе морей изменяетсяот 1.2 до 20 км, а врайоне материков в среднем равна 48 км на обращенной к Земле стороне и 77 км на невидимой стороне. Под корой располагается твердая мантия толщиной до 800-900 км. Плотность горных пород в мантии увеличивается от 2.8…2.9 г/см3 до 3.3…3.4 г/см3, т.е. становится сопоставимой с плотностью пород в земной коре. Нижний слой мантии идентифицируется с астеносферой, вещество которой частично или полностью расплавлено. Низкие скорости продольных волн в центральной части астеносферы 3.6…5.2 км/с (в верхней мантии 8..9 км/с) указывают на наличие железосульфидного ядра радиуса 200…350 км.
§
Гипотеза «горячего» происхождения (по Канту, Лапласу)
Немецкий философ Иммануил Кант и несколько позднее французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас выдвинули гипотезу возникновения планет Солнечной системы. Они полагали, что до образования Солнечной системы существовала туманность, состоящая из отдельных движущихся частиц или газа. В результате сжатия туманности она постепенно раскалялась. Ее вероятная начальная температура могла быть порядка 1000…1600°К. Далее вращающаяся раскаленная туманность приобрела сплюснутую форму. Затем при увеличении скорости вращения от нее постепенно отделились слои вещества и образовали ряд колец. Каждое из них под действием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаровидное тело – планету. Сначала планеты были раскаленными, но потом, по мере излучения тепла в мировое пространство, стали остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем.
По гипотезе Канта и Лапласа земное ядро должно быть огненно-жидким, а земная кора – продукт остывания некогда огненно-жидкого шара в виде шлака.
Впоследствии эта гипотеза вошла в противоречие с другими астрономическими и геологическими фактами в том числе с геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно больше времени, необходимого для остывания земного шара (как показали позднейшие расчеты, теплосодержание расплавленной Земли должно было составлять около 3·1031 Дж).
Вообще, решение нахождения температуры сводится к решению уравнения теплопроводности в сферических координатах. В случае простого варианта, когда
χ=Const, ρ=Const, с=Const и источники тепла однородно распределены на глубине, уравнение принимает вид:
(1)
где r — плотность пород, г/см3; с – удельная теплоёмкость, дж/(кг·град); χ – коэффициент теплопроводности, вт/(м·град); 
— тепловая диффузия, м2/с; t – время; Р – генерация тепла в единице объема, кал/(см3·с); Т – температура, град. С.
Решение этого уравнения при Т (0,t) = 0 и Т (r,0) = 0 получено в удобной для вычисления формуле (Любимова, 1952):
(2)
где
Решение (2) приемлемо для рассмотрения начальных стадий развития Земли до наступления заметной дифференциации, при которой происходит перераспределение Р по радиусу. Однако на более поздних стадиях развития оно не применимо, так как нельзя χ даже грубо считать постоянным.
Термическая история Земли с учётом переменной теплопроводности и перераспределения источников по глубине исследовалась рядом авторов (Левин и Маева, Любимова, Mac Donald и др.). Основные результаты этих исследований показывают исключительно большую зависимость получаемых выводов от принятой интенсивности источников Р, от закона их перераспределения по глубине, от принятой теплоёмкости с, от коэффициента поглощения λ и от возраста Земли.
Гипотеза холодного происхождения (по О.Ю. Шмидту)
Космогоническая гипотеза (космогония – наука о происхождении и развитии небесных тел и их систем) образования планет разработана коллективом советских ученых под руководством академика О.Ю. Шмидта. По этой гипотезе планеты возникли из облаков космической пыли, которая обращалась некогда вокруг Солнца. По определению О.Ю. Шмидта Земля возникла как холодное тело (700К, или t0C=700 К-273.150К≈-2000С), поэтому земная кора вовсе не «шлак», который появился на поверхности раскаленной жидкой массы земного шара, а выплавлена из нее. Со временем она стала нагреваться в результате различных, прежде всего радиоактивных, процессов. При этом дальнейшая история Земли будет соответствовать гипотезе горячего происхождения.
Расплавленная Земля дифференцировалась на кору, мантию и железное ядро.
В каждой из этих оболочек благодаря выносу тепла конвекцией установилось адиабатическое распределение температуры (см. рис. I.2).
Рис.I.2
Когда адиабата встретит кривую плавленияв точке В и одновременно в С, то начнётся затвердение оболочки, что сразу приведёт к резкому снижению оттока тепла из области глубже точки В. Между точками В и С остаётся область расплавленного ядра Земли.
Дальнейшая история Земли определяется уже только переносом тепла через теплопроводность и генерацией тепла. В этом случае для оценки температуры верхних частей Земли исходным является уравнение теплопроводности (в случае одномерной задачи):
(1)
Если положим U = T — To, где То = const (температура на поверхности Земли), то (1) преобразуется в следующее уравнение:
(2)
где h2 — тепловая диффузия.
Решение (2) даёт возможность вычислить остывание Земли Θ:
, (3)
где начальные условия: Θ(z,0) = Θm(z), Θ (0, t) = 0°C, Θ(∞, t) ≠ ∞.
Полагая h2 = 0,01 см2/сек, получаем 2h √ t ≈ 800 км для t = 5∙109 лет.
Отсюда видно, что остыванием на глубинах больше 800 км за всё время существования Земли можно практически пренебречь.
Некоторые замечания автора по развитию Вселенной и “черных дыр”
Будем исходить из общепринятой модели Г.А. Гамова, что Вселенная образовалась в результате взрыва суперадрона, представляющего собой перед взрывом квазиточку чрезвычайно малого размера и чрезвычайно высоких плотности и температуры. После взрыва по истечении времени 10-44 с суперадрон имел уже иные размеры – 10-33 см в диаметре (2R0), плотность (s0) »1093 г/см3 и температуру (Т0) »1033 0К. Следовательно, исходя из инерциальной системы отсчета мира, представляется возможным вычислить массу первоначально расширяющейся шароподобной Вселенной по формуле:
Подставляя в (1) значения R0 и s0, получим М0 » 0.52×10-6 г. Это принципиально противоречит известным данным, зная, что астрофизиками подсчитана общая масса Вселенной (МВс), которая в сумме составляет 1056 г скрытого вещества (Мскр) и 1054 г видимого вещества (Мвид), т.е. МВс = Мскр Мвид = 1.01×1056 г. Отсюда, если возьмем отношение МВс/М0, то получим в 1.92×1062 раз современная Вселенная по массе превышает первоначальную Вселенную. Но такое возможно в случае равенства их импульсов тел:
при условии, если рассматривать массу последней М0 не как инерциальную, а как релятивистскую М0(vp). В этой ситуации существующий недостаток массы М0 компенсируется величиной скорости ее движения, близкой к скорости света. Найдем эту массу из следующего выражения:
Но здесь нам не известна начальная скорость расширения Вселенной Vp. Предположим, что она все еще близка к современной максимальной скорости расширения Вселенной. Последняя (Vp) в настоящее время может характеризоваться, если исходить из закона Хаббла, скоростью движения самых удаленных Галактик, определяемой несколькими десятками тысяч км/с.
Тогда для расчета релятивистской массы первоначальной Вселенной, подставив в (3) Vp, равную близкой к 1×105 км/с, а с=3×105 км/с, получим М0(Vp)=0.55×10-6 г. Как видим, последняя принципиальных изменений не претерпела.
С другой стороны, реальные скорости Галактик в настоящее время колеблются в пределах 75 км/с – первые сотни км/с, что позволяет применить закон сохранения импульса для инерциальных масс, взяв за среднюю скорость расширения Вселенной VВс 200 км/с. Тогда, подставив в (2) соответствующие величины, получим скорость суперадрона V0=3.67×1064 км/с, которая, как видно, превышает скорость света в 1.22×1059 раз. Но, подставим в (3) вместо Vp скорость, близкую к свету 2.99999×105 км/с, и взяв М0, равное 0.52×10-6 г, получим для М0(Vp) величину, равную 2.01×10-4 г. Теперь из формулы (2) найдем V0:
,
т.е. все равно получаем скорость, невероятно превышающую скорость света.
Следовательно, проведенные расчеты наталкивают на мысль, что имеются, как минимум, три возможных варианта: либо плотность суперадрона существенно выше, чем 1093 г/см3, либо его размеры существенно больше, чем 10-33 см, либо скорость света не является фиксированной величиной и уменьшается с расширением Вселенной. Допуская, что рассчитанная астрофизиками плотность суперадрона ближе к реальной, а его размеры не точны, тогда, воспользовавшись формулой (1) для массы сферической формы МВс = 1.01×1056 г, найдем допустимый новый размер суперадрона при указанной плотности s0 »1093 г/см3:
Как видно, новый размер суперадрона значительно превышает ранее вычисленный в 5.77×1020 раз. Тем не менее, в принципе размеры нашей Метагалактики в какой-то период ее развития (в один из моментов фазового перехода от сжатия к расширению) являются крайне малыми и укладываются в понятие квазиточки.
Как выше указывалось, при взрыве суперадрона, как и при любом обычном взрыве, образуются в основном осколки различных размеров, разлетающихся по радиусам сферы также с различными скоростями. Очевидно, развитие Вселенной происходило одновременно по трем основным направлениям: часть из них прошла путь (согласно принятому большинством исследователей космогоническому представлению): ионизированная плазма, фотоны при высочайшей температуре → нейтральный газ (газовые облака, туманности) при полностью сниженной температуре → космические объекты (галактики, звезды, планеты и др.) за счет гравитационной неустойчивости, ударных волн. Другая часть развивалась из осколков, постепенно остывая и расширяясь до современных размеров галактик, звезд, возможно, планет. И третья часть, состоящая из осколков с сохранением размеров прежних порядков. Эти осколки и являются, по-сути, черными дырами, постепенно наращивающими свои массы.
Что касается второго направления развития Вселенной, то известно присутствие немалого количества как старых звезд с возрастом не менее 13 млрд. лет в галактиках, так и самих галактик на окраинах Вселенной с возрастами, приближающимися к 13 млрд. лет. Мало того, совсем недавно американский орбитальный телескоп «Хаббл» обнаружил в созвездии Скорпиона самую древнюю планету из известных на сегодняшний день в галактике Млечный Путь. Возраст планеты оценивается в 13 миллиардов лет, то есть она почти втрое старше Земли, у которой возраст составляет 4.55 млрд. лет. Масса найденной планеты в 2,5 раза больше массы Юпитера. Исходя из концепции второго направления развития Вселенной, представляется возможным определить первоначальные размеры постепенно расширяющихся звезд, планет. Так например, для звезд, близких по параметрам Солнцу, будем иметь начальный радиус осколка
,
где МС=2·1033 г, s0 =1093 г/см3.
В предположении, если старая звезда имеет массу 10·МС, то начальный радиус ее осколка R010C в момент взрыва был близок к 1.68·10-20 см. Для упоминаемой выше недавно обнаруженной старой планеты, названной учеными «Мафусаилом» — в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет, начальный радиус R0п мог составлять порядка 1.04·10-21 см.
Из расчетов начальных радиусов различных по массам космических тел следует, что их размеры в любом случае всегда значительно меньше вновь вычисленного радиуса суперадрона (R0,R010C,R0п<<R01) и число таких объектов составляет около 7 порядков (≈107). Если считать, что в результате Большого взрыва образовалось 1011…14 галактик с общим числом в них звезд 7·1022, то подсчитанных 107 старых космических объектов явно недостаточно для нашей Вселенной. Отсюда возможен вывод: либо принятая плотность суперадрона s0 не точна и она может составлять величину на 20 – 30 порядков меньшую, либо еще заметно не доучтена масса “темной материи”. Тем не менее, несмотря на существующую погрешность при расчетах, обусловленных отсутствием точных знаний о параметрах суперадрона, концепция второго параллельного направления развития Вселенной не является противоречивой и объясняет причину существования и очень медленной плотностной эволюции старых звезд, представленных, в основном первичным материалом – водородом и нейтронами. О возможности такой медленной эволюции даже такого космического тела как планета Земля высказывался целый ряд исследователей. В частности, В.В. Кузнецов (Новосибирск, 1984) полагает, что Земля имела вначале высокую плотность порядка 30 г/см3 и соответственно малые размеры, а затем, постепенно разуплотняясь, достигла современных размеров.
И, наконец, что касается третьего параллельного пути развития Вселенной ─ существующих осколков суперадрона, которые до сих пор принципиально не изменяют порядок своих размеров. По-сути, эти осколки и являются черными дырами. В последние годы относительно их появилось много новой информации в связи с постоянно поступающими открытиями с телескопа Хаббл.
Для специалистов черные дыры уже давно перестали быть фантастикой — астрономические наблюдения доказали существование как «малых» черных дыр (с массой порядка массы Солнца), которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, так и сверхмассивных (до 109 масс Солнца), которые явились результатом коллапса целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. Также в настоящее время идет поиск микроскопических черных дыр в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная обсерватория Pierre Auger, Аргентина), и даже предполагается «наладить производство» черных дыр на строящемся в CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) Большом адронном коллайдере LHC, который должен войти в строй к 2007 году.
Черные дыры невозможно увидеть, в частности, они поглощают не только космические тела (звёзды и звездные системы), но и световые волны. Поглощение космических тел происходит только в том случае, когда эти тела попадают на орбиту так называемого гравитационного радиуса дыры (радиуса Шварцшильда, равногоRs = 2GM/c2, где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света). Или, выражаясь научным языком, черная дыра — это объект, искривляющий пространство-время в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с поверхности или изнутри черной дыры, даже по световому лучу. Иными словами, поверхность черной дыры — это граница пространства-времени, доступного нашим наблюдениям. Астрономы присутствие в космическом пространстве черных дыр вычисляют только по косвенным признакам.
Черных дыр пока известно немного, тем не менее ученые на основе анализа данных современных телескопов наращивают их число (возможны миллионы или миллиарды). Одна из них, не вызывающая сомнений по результатам наблюдений косвенных признаков ее присутствия, находится в созвездии Скорпиона и движется прямо в сторону Солнечной системы со скоростью 4·105 км/час. Ученые пугают, что наша система, а вместе с ней и мы, человечество, погибнем. Но до этой черной дыры порядка 6·103 световых лет (1 св. год = 9,46·1012 км). Тогда расстояние до неё составит 56,76·1015 км. В год черная дыра проходит 35,04·108 км (4·105 км · 24 часа · 365 дней). Следовательно, черная дыра достигнет нашей Солнечной системы за 16,2·106 лет. Она поглотит наше Солнце и планеты практически мгновенно. Действительно, немного осталось существовать земной цивилизации – 16,2 миллионов лет. Тем не менее, этот срок достаточен, чтобы до пришествия черной дыры с нашей системой произошли другие не менее разрушительные катастрофы, например, взрыв Солнца.
Природа черной дыры пока не совсем ясна, хотя астрофизики и полагают, что она зарождается в результате схлопывания — коллапса звезды, превращаясь из огромных размеров всего лишь в футбольный мяч. Следовательно, исходя из принципа тождественности сферы и точки, сколлапсировавшая звезда должна сохраняться на своей орбите, безусловно, перестраивая у себя структуру сопутствующих магнитных, радиационных, электрических и др. полей. Последние не обладают таким дальнодействием, как силы гравитации и поэтому, надо полагать, что они не способны заставить схлопнувшуюся звезду уйти с орбиты и затем наращивать массу путём поглощения встречающихся на своем пути сородичей. Кроме того известно, что звезды в границах своих галактик не “разбегаются”. Тем не менее, имеются путешествующие черные дыры. Последние, обладая чрезвычайно высокой гравитационной энергией, поглощают встречающиеся на своём пути звёзды и звёздные системы, тем самым постепенно увеличивая свою плотность (гравитационную энергию) и одновременно уменьшаясь (скорее всего) в размерах. Пересекаясь, они “пожирают” друг друга и так, очевидно, до тех пор, пока последняя мощная “черная дыра” не превратится в квазичастицу – новый суперадрон с конечно-бесконечным малым размером и конечно-бесконечной плотностью. Другая часть черных дыр, являющаяся более мощными осколками, представляет собой ядра галактик. Эти ядерные черные дыры удерживают звезды галактик от “разбегания”, а затем через многие миллиарды лет, поглотив все галактические звезды, превратятся в новые суперадроны, которые, взорвавшись, послужат началом эволюции новых вселенных в рангах галактик. Последние могут быть частными случаями, если следовать инфляционной теории А.Д. Линде.