7. Николай Коперник и космология

Астрономические наблюдения указывают на существование крупномасштабных процессов, происходящих в галактиках, их скоплениях, в Метагалактике, хотя нам пока неизвестны те законы, которые обуславливают происхождение и развитие космических объектов галактических или метагалактических размеров, подобно тому как во времена Николая Коперника не были известны законы, определяющие планетные движения.

С самых древних времен люди интересовались не только движением небесных тел, но и их происхождением, а позже и их развитием, изменением. Поэтому наука космогония как часть астрономии, которая изучает проблемы происхождения и развития космических тел и их систем, имеет самые древние истоки. Естественно, что на первоначальной стадии мы встречаем лишь наивные, подкрашенные дозой мистики идеи о происхождении небесных тел. Правда, ради справедливости следует упомянуть, что уже древние греки высказывали и в некоторой степени обосновывали идеи о происхождении и эволюции Солнца, Луны и планет, пользуясь научными соображениями. Отличительная черта всех научных гипотез и теорий о происхождении и эволюции небесных тел состоит в том, что для объяснения картины мира привлекается по возможности вся сумма знаний, накопленных человечеством, а не какие-то сверхъестественные, мифические силы или существа. Еще древние греки (Демокрит, Левкипп и др.), несмотря на слишком созерцательное и наивное восприятие ими мира, пытались разрешить космогонические проблемы с помощью науки того времени.

Космогонические исследования стали привлекать все большее внимание ученых-естествоиспытателей после зарождения современного естествознания, т. е. после эпохи Коперника - Кеплера - Ньютона. После открытия закона всемирного тяготения и законов планетных движений появился прочный фундамент для развития научной планетной космогонии. Публикацию космогонических гипотез Ж. Бюффона (1745 год), И. Канта (1755 год) и П. Лапласа (1796 год), объясняющих происхождение планет и пространственной структуры Солнечной системы на основе ньютоновой физики, можно расценить как ?фундаментальный вклад в естествознание XVIII столетия. Благодаря плодотворной (можно сказать, выдающейся) научной и конструкторской деятельности В. Гершеля в конце XVIII столетия была разработана первая научная гипотеза об образовании звезд из туманностей путем процесса сгущения последних. Отсюда берет начало звездная космогония. XIX и XX столетия характеризуются дальнейшим развитием планетной, звездной, галактической космогонии, но мы здесь об этом более подробно говорить не будем упоминание начального этапа развития космогонии в большой степени оправдано тем, что именно в то время гениальные идеи Коперника оказывали огромное непосредственное, а не косвенное влияние на космогоническую науку.

Наряду с космогонией, в новейшую эпоху и особенно в наше время очень интенсивно, развивается новая астрономическая наука - космология. Из ее названия следует, что это учение о Вселенной, рассматриваемой как единое целое, и о той части Вселенной, которая наблюдается современными астрономическими инструментами. Появился даже термин "астрономическая Вселенная", под которым сегодня подразумевается часть космического пространства, занятая Метагалактикой и простирающаяся на сверхогромные расстояния в 3000-6000 Мегапарсек. В переводе на световые годы - это расстояние порядка 10-20 млрд. световых лет^*.

^* (Световой год - расстояние, которое свет проходит за один год, и оно равно 9 460 800 000 000 км.)

В предшествующие эпохи "астрономическая Вселенная" была существенно меньше, а в докоперникову эпоху ее размеры (правда, тогда еще не измеренные) не выходили за пределы Солнечной системы. Космология как система знаний базируется на всех известных в настоящее время научных знаниях, и в первую очередь на физических законах, на астрономических наблюдениях и на философских принципах, одним из которых является объективность законов природы и, следовательно, возможность их экстраполяции на космологические масштабы, хотя они получены и проверены в весьма небольшой части космического пространства, связанной прежде всего с Землей или с Солнечной системой.

Мы всегда должны помнить о первичной и решающей значимости астрономических наблюдений для выработки правильного, материалистического взгляда на Вселенную, и вместе с тем мы должны учесть, что абстрактная теория эволюции Вселенной может оказаться полезным инструментом в руках исследователей при накоплении знаний о мироздании. Конечно, такая теория хороша, если она "равняется" на практику и, в свою очередь, подсказывает практике наиболее актуальные направления проведения нового эксперимента. Можно сказать, что между астрономической практикой и теорией всегда должно быть состояние взаимной поддержки, взаимной помощи и взаимного понимания.

Космогония и космология проникают друг в друга, дополняют друг друга и в том случае, когда изучаются космические объекты или системы галактических или еще больших масштабов. Как совершенно справедливо отмечал В. А. Амбарцумян, нельзя отделять космологические проблемы от космогонических, и наоборот. Точнее, единственно правильный подход к решению космологических проблем - это тот, который не отрывает проблемы строения и развитии Вселенной в целом от проблемы происхождения и эволюции галактических образований, скоплений. Вот почему мы, переходя к космологическим структурам, должны всегда помнить о неразрывной связи, можно сказать, о неделимости космогонических и космологических проблем.

Возвращаясь к выдающейся роли Николая Коперника в естествознании, можно сказать, что он был первым космологом, рассмотревшим пространственно-динамическую структуру тогдашней "астрономической Вселенной" с научных, материалистических позиций. Гелиоцентрическая теория, как первая правильная космологическая теория, послужила сильным импульсом для всего естествознания и, в частности, для открытия основных физических законов, на которые опирается современная космология.

Рассмотрим сначала основные факты, лежащие в основе современной космологии. В 20-х годах нашего столетия было установлено, что наша Галактика (старинное название которой "Млечный Путь") не является единственной в природе, что давно наблюдавшиеся космические объекты, так называемые спиральные и эллиптические туманности, являются такими же галактиками. Это обстоятельство поставило на повестку дня вопрос о взаимодействии галактик и галактических систем между собой, о существовании более крупномасштабных систем галактик, т. е. о Метагалактике.

К настоящему времени установлены следующие три фундаментальные научные истины:

1. Наблюдается неравномерное распределение галактик в пространстве. Большинство из них образуют скопления или группы.
2. Справедлив закон Хаббла, т. е. закон взаимного удаления галактик. Скорость удаления приблизительно пропорциональна взаимным межгалактическим расстояниям. Закон Хаббла является экспериментальным законом, вытекающим из физического принципа Доплера. Вывод о взаимном разбегании галактик делается на основе обнаружения так называемого красного смешения, т. е. смещения спектральных линий в спектрах галактик к красному концу спектра. Это грандиозное явление часто называется расширением Вселенной.
3. Существует так называемое реликтовое излучение, представляющее собой остаток процессов, происходивших в отдаленную эпоху, на начальном этапе существования Метагалактики.

Перечисленные факты, к которым будут, несомненно, добавлены и другие, учитываются, по возможности, космологической теорией.

Эффект красного смещения указывает на то, что в прошлом Метагалактика была более плотным космическим объектом и, следовательно, находилась в качественно другом состоянии. Наиболее удаленные от нас небесные объекты - квазары - находятся на расстоянии в 10 миллиардов световых лет. Иначе говоря, свет от квазаров доходит до Земли за время, равное 10 миллиардам лет, и приносит информацию о прошлом Метагалактики, относящемся к эпохе, отстоящей от нашей на 10 миллиардов лет. Астрономам удалось получить наиболее вероятное значение постоянной Хаббла, т. е. того коэффициента, который позволяет провести количественные оценки расширения Вселенной. Если принять постоянную Хаббла равной 60 ^км/_с*Мпс, то получается, что время, необходимое для расширения Метагалактики до современного состояния, составляет приблизительно 17 млрд. лет.

Правда, некоторые специалисты считают, что красное смещение в спектрах квазаров имеет некосмологическое происхождение, а это означает, что крупномасштабная структура Вселенной может быть абсолютно иной, чем та, которая в наши дни наиболее "принята".

Астрономическими наблюдениями установлено, что не только Метагалактика по существу неоднородна, но и многие галактики характеризуются существенными неоднородностями. Таким образом, можно сделать вывод, что процесс перемешивания звезд в галактиках далеко не завершен. Не исключено, что каждая галактика совершила за время своего существования несколько десятков оборотов вокруг своей оси. Например, период обращения нашей Галактики составляет примерно 200 миллионов лет, а ее возраст - около 10 миллиардов лет. Большинство галактик приблизительно того же возраста.

Методами внегалактической астрономии установлено, что существуют неустойчивые группы галактик, которые распадаются через 200-500 миллионов лет. Наблюдения свидетельствуют о том, что в Метагалактике существуют и молодые галактики, и, по-видимому, процесс возникновения новых галактик никогда не прекращается. Фундаментальным вопросом космологии является вопрос о физической структуре звездной и галактической материи, т. е. о состоянии вещества, входящего в состав звезд и межзвездной среды. В основном вещество в наблюдаемой Вселенной находится в состоянии плазмы (двухкомпонентный ионизованный газ, состоящий из ионов и электронов).

Опираясь на выдающиеся достижения современной наблюдательной астрономии, на современные философские концепции и законы физики, космологическая наука разрабатывает математико-физические модели, качество которых должно проверяться с помощью наблюдений. Если построенные модели согласуются с разнообразными наблюдениями, то весьма желательно, чтобы эти модели предсказывали и новые, неизвестные эффекты и явления, обнаружение которых, в свою очередь, должно стимулировать не только дальнейшее развитие самой теории, но и дальнейшее совершенствование методики эксперимента и наблюдений.

К настоящему времени наиболее признанной и известной среди специалистов моделью является модель однородной, изотропной, нестационарной и горячей Вселенной, которая согласуется с частными решениями А. А. Фридмана, полученными им в 1922 и 1924 годах при исследовании уравнений общей теории относительности, или общей теории тяготения. Каковы особенности этой модели? Прокомментируем каждое из прилагательных, входящих в ее определение. В модели однородной Вселенной предполагается, что вещество распределено непрерывно и равномерно. Изотропная модель - это такая модель, в которой физические и другие свойства вещества одинаковы по всем направлениям (временному и геометрическим), т. е. не зависят от направления. Нестационарная модель имеет в виду изменяемость со временем геометрических, физических, химических и других параметров и характеристик Вселенной. Наконец, горячая Вселенная означает, что на ранней стадии ее эволюции температура вещества была весьма высокой. Так вот, фридмановские модели Вселенной - это модели, обладающие одновременно всеми перечисленными свойствами. Эти модели играют большую роль в космологической теории, Поэтому внимательно изучались многими космологами^*. Появились модифицированные фридмановские модели (модели Фридмана - Леметра и др.), но мы всегда должны иметь в виду следующее решающее обстоятельство. Все космологические модели, независимо от того, описывают они "открытую" Вселенную или "замкнутую", все же являются лишь моделями и служат удобным средством для познания закономерностей и процессов в реальной бесконечной Вселенной.

^* (Желающим познакомиться с проблемами космологии мы рекомендуем книгу И. Д. Новикова "Эволюция Вселенной" (М.: Наука, 1979).)

При этом возникает один из фундаментальных вопросов современной космологии. Всякую динамическую или астрофизическую модель для удобства ее исследования мы "погружаем" в некоторое "геометрическо-временное" пространство, точнее, любая такая модель изучается лишь совместно со свойствами некоторого четырехмерного пространства. Спрашивается: каковы масштабы космогонических или космологических моделей, для которых их "погружение" в евклидово пространство или в галилеево пространство - время следует считать допустимым и разумным? Иными словами, до каких астрономических размеров (имеются в виду не только пространственные координаты, но и время) можно пользоваться геометрией Евклида или свойствами галилеева пространства? Изучение космических объектов с размерами, равными размерам Солнечной системы или отдельного звездного скопления, когда можно говорить об изолированной системе, на основе свойств галилеева пространства - времени представляется бесспорным и естественным. Однако при рассмотрении моделей Вселенной, в частности, решений Фридмана общих уравнений тяготения, свойства пространства совпадают со свойствами геометрии Лобачевского, поэтому пространственно-временное пространство, в котором изучаются свойства космологических моделей галактических и метагалактических масштабов, можно назвать пространством Лобачевского-Фридмана.