Но остановимся сначала на строении солнечной системы.
В древности у разных народов были различные представления о Земле и ее форме. Так, индусы представляли себе Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов; жители Вавилона — в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилония; евреи — в виде равнины, но в некоем месте небесный купол соединяется с земной твердью. Однако своим появлением и развитием науки о Земле во многом обязаны древним грекам, представлявшим мир в виде круглой лепешки с Грецией в центре. поиск первоэлемента у древних греков имеет две традиции: стихийно-материалистическую и идеалистическую. Стихийно-материалистическаятрадиция восходит к мифологии, где утверждаются четыре основные стихии: вода, земля, огонь и воздух. Зарождается идея выделить одну стихию в качестве основания всего существующего и обосновать его необходимость. Впервые эту идею выразил Фалесиз Милета (625—547 гг. до н. э.), считавший первоэлементом воду, поскольку невозможно найти абсолютно сухое тело. До наших дней дошли только названия его произведений: «О началах», «О солнцестоянии», «О равноденствии», «Морская астрология». Ему приписывалось открытие годового вращения Солнца на фоне неподвижных звезд, определение времени солнцестояния и равноденствий. Он утверждал, что Луна светит не своим светом, а небесные тела представляют собой воспламенившуюся землю. Всю небесную сферу Фалес разделил на пять зон, ввел календарь, определив продолжительность года в 365 дней и разделив его на 12 месяцев по 30 дней, при этом пять дней выпали, что было характерно для египетского летоисчисления.
Ученик и последователь Фалеса Анаксимандрбыл автором первого философского сочинения в прозе «О природе», которое положило начало многим одноименным трудам греческих философов. О жизни Анаксимандра нет сведений, однако известно, что он ввел в Элладе солнечные часы, представляющие собой вертикальный стержень, установленный на размеченной горизонтальной площадке; построил модель небесной сферы —глобус, начертил географическую карту («географическая доска» Анаксимандра из Милета, VI в до н. э.). В сильно искаженном виде на карте изображены очертания берегов и морей, Анаксимандру принадлежит идея естественного возникновения гармонии космоса из некоторой неопределенной массы, находящейся в постоянном круговом вращении, а также идея о бесконечности космоса во времени Анаксимандру принадлежит и первая гипотеза о происхождении жизни и человека. Живое зарождается на границе моря и суши из ила под воздействием небесного огня. Первые живые существа жили в море, затем некоторые из них вышли на сушу и сбросили с себя чешую. От морских животных произошел человек. Он зародился и развился до взрослого состояния внутри какой-то громадной рыбы, затем вышел на сушу.
Ученик Анаксимандра Анаксименв своем сочинении «О природе» первоэлементом считал воздух. Беспредельный воздух — начало мира, а также тела и души. Все возникает из воздуха через его разряжение и сгущение. Разряжение воздуха связано с нагреванием, а сгущение с охлаждением. В натурфилософской картине Анаксимена Земля неподвижна, а светила движутся воздушными вихрями. Солнце — это земля, которая раскалилась от своего быстрого движения. Плоские Земля и небесные светила парят в воздухе подобно листьям.Гераклит Эфесскийсоздал третье в античной философии сочинение «О природе». Первоэлементом он считал огонь. Космос всегда был, есть и будет живым огнем, мерами загорающимся и мерами потухающим. В современном естествознании аналогом такого первоначала выступает плазма, которая предшествует образованию химических элементов.В V—IV вв. до н. э. складываются две противоположные мировоззренческие концепции: элементаризми атомистика.
Элементаризм— это учение о строении космоса, выдвинутое Эмпедоклом. Наблюдаемый мир — производное от четырех основных первородных элементов: земли, воды, огня, воздуха. Разнообразие вещей объясняется различным сочетанием элементов, а изменения в физическом мире — их перемещением. Эмпидокла можно считать античным эволюционистом, поскольку он считал, что развитие живого мира и человека прошло несколько этапов, в результате сохранились только жизнеспособные виды. Вначале путем самозарождения появились растения, затем животные, возникшие естественным путем из земли. Именно жизнеспособностью Эмпидокл объяснял целесообразное устройство организмов.
Атомистическое учениеразвивается в милетской школе Левкиппоми его учеником Демокритом, а впоследствии Эпикуром. В качестве материального первоэлемента космоса в их учении выступает атом, который представляет собой абстрактную единицу, с которой связывается неизменное, вещественно оформленное начало. В отношении нашего мира атомисты следуют геоцентрической картине, полагая, что Земля одинаково удалена от всех оболочек космоса, а потому неподвижна. Вокруг Земли движутся звезды, которые являются достоянием нашего мира, а не другими мирами.Аристотельв своей натурфилософии соединил все основные идеи Античности, создав систему понятий, которые стали фундаментальными в развитии научной мысли. Он впервые попытался определить понятие движения, ввел такие понятия как материя, сущность, энергия, взаимодействие, целесообразность, создал систематическую науку о природе физику. Согласно аристотелевской физике, в центре космоса находится Земля, поскольку именно к центру Земли направлены все естественные формы движенияАристотель представлял космос как мир, конечный в пространстве и состоящий из кристально прозрачных сфер, несущих звезды и планеты.
Движение этих сфер наблюдается с Земли как движение планет и звезд.
Неподвижная Земля имеет форму шара и занимает центральное положение. Область между орбитой Луны и Землей характеризуется беспорядочным движением, подвержена постоянным изменениям и превращениям.
Формы движения тел в этой области несовершенны, конечны, а сами тела
состоят из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля занимает центральное место во Вселенной как самое тяжелое тело. Над ней располагаются оболочки воды, воздуха и огня. Область между орбитой Луны и крайней сферой — область равномерных движений. С крайней сферой соприкасается «перводвигатель Вселенной».
Оформление гелиоцентрической идеи связано с именем АристархаСамосского, который жил в Александрии в период царствования Птолемеев. Впервые в Древнем мире, в своей работе «О величии Солнца Луны и о расстоянии между ними» он утверждал, что Солнце много больше Земли. Земля — одна из планет, которая движется вокруг Солнца. Земля вращается вокруг своей оси и делает оборот вокруг Солнца за один год. Между Солнцем и Землей имеется огромное расстояние, но еще более значительное расстояние между Солнцем и другими звездами, которые неподвижны. Система Аристарха и система Коперника почти полностью совпадают.
Приход феодализма и зарождение новой религии — христианства —привели к господству схоластики, богословия и инквизиции. Европа к началу XV века знала об окружающем мире меньше, чем Архимед. В Средние века в развитии науки выделяют три периода. Раннее Средневековье (VI—IX вв.) — темное время, упадок образования. Средний период (X—XII вв.) — постепенно пробуждается интерес к наукам, переводят труды античных классиков, появление университетов (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский). Зрелое Средневековье (XIII—XIV вв.) — высокий уровень образованности, расцвет науки и искусства, подготовка эпохи, получившей название Возрождение. Поэтому цель естествознания в средневековой традиции — не описание явления природы, а его символическое истолкование. Разрабатывается телеологическая модель объяснения, которая полностью заменяет поиск естественных действующих причин, К концу эпохи Средневековья, в эпоху Возрождения пробуждается интерес к изучению Вселенной Эпоха Возрождения начинается со второй половины XV в., когда в Западной Европе происходит ряд социально-экономических изменений, которые сопровождаются переменами в умонастроениях, в отношении к человеку, ремеслам, наукам, а также к античному наследиюВыдающиеся открытия этого времени связаны с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютона.
В своем знаменитом труде «Об обращениях небесных сфер» Н. Коперник(1473—1543) излагает гелиоцентрическую систему мира Коперник формулирует семь постулатов.
1. Не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер.
2. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения лунной орбиты.
3. Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного в центре мира.
4. Отношение радиуса земной орбиты к радиусу Вселенной меньше, чем отношение радиуса Земли к радиусу земной орбиты. Радиус Земли можно принять за исчезающе малую величину по сравнению с размером Вселенной, но такой же исчезающе малой величиной является земная орбита.
5. Все движения, наблюдаемые у небесной тверди, принадлежат не ей самой, а Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вращается в суточном движении вокруг неизменных своих полюсов, причем твердь и самое высшее небо остаются все время неподвижными.
6. Все замечаемые нами у Солнца движения не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы вращаемся вкруг Солнца, как и всякая другая планета. Таким образом, Земля имеет несколько движений. Его идеи развил Джордано Бруно(1548—1600) — итальянский философ-материалист. Он отстаивал мысль о бесконечности Вселенной и бесчисленности миров в ней. Считал, что звезды во Вселенной могут служить солнцами для других миров, подобных Земле.Галилео Галилей(1564—1642) — итальянский мыслитель, физик, основоположник классической механики, астроном и математик — выступил одним из основателей экспериментального естествознания. Галилей изобрел зрительную трубу, увеличивавшую в 32 раза, которая позволила впервые увидеть пятна на Солнце, кратеры на Луне, спутники Юпитера. Он разглядел бесчисленное скопление звезд, образующих Млечный Путь. Астрономические открытия Галилея стали наглядным доказательством истинности гелиоцентрической системы Коперника и идеи Дж. Бруно о физической однородности Земли и неба. Открытия Галилея подрывали прежнюю веру в совершенство космоса. Его труды были включены в список запрещенных книг. В 1633 г. ученый предстал перед судом инквизиции и был вынужден публично отречься от учения Н. Коперника. Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет немецким астрономом Иоганном Кеплером1571—1630). И. Кеплер остановился на гипотезе, что траекторией Марса, как и других планет, является не окружность, а эллипс. Стремясь объяснить устройство Вселенной, Галилей утверждал, что Бог, когда-то создавший мир, поместил Солнце в центр мира, а планетам сообщил движение по направлению к Солнцу, изменив в определенной точке их прямой путь на круговой. На этом деятельность Бога завершилась.
В XVIII веке утверждается социальный статус науки как особой сферы деятельности.
В 1745 г. французский ученый Жорж Луи де Бюффон(1707—1788) сформулировал теорию, согласно которой планеты Солнечной системы образовались в результате столкновения Солнца с близко проходившей большой кометой или звездой и представляют собой осколки Солнца (дуалистическая теория).
Под влиянием идей Ньютона и Бюффона сформировались естественно-
научные взгляды немецкого философа Иммануила Канта(1724—1804). Кант предположил, что Солнце, а затем и планеты сформировались из холодной пылевой туманности. Благодаря упорядоченному вращательному движению вокруг возникшего центрального сгущения образовалось Солнце, а вокруг меньших сгущений — планеты. Из анализа имеющихся данных Кант сделал удивительно верные выводы о возможности существования планет далее Сатурна и даже о том, что его кольца состоят из метеоритов, причем подобные кольца могут быть и у других планет.
Пьер Симон Лаплас предположил, что первоначальная туманность была газовой и очень горячей, находящейся в состоянии медленного вращения. Сжимаясь, под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента количества движения вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил в экваториальном поясе, от него последовательно отделились кольца. В дальнейшем кольца конденсировались, образуя планеты, а затем образовалось Солнце.
Несмотря на существенные различия между двумя гипотезами, общим является представление о том, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. В истории естествознания эта теория имела широкое признание и получила название небулярной концепции Канта— Лапласа. Она оставалась первой ротационной гипотезой вплоть до конца XIX в.
Основные положения современной космологии (релятивистской) —науки о строении и эволюции Вселенной стали складываться в 20-х годах XX века.
А. Эйнштейн(1878—1955) на основе теории относительности предложил модель Вселенной, представляющую собой замкнутое трехмерное пространство, конечное по объему и неизменное во времени. В 1922 г. российский математик А. А. Фридман(1888—1925), исходя из постулата об однородности Вселенной, на основе уравнений общей теории относительности получил интересный вывод; искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Теорию первоначально очень плотной и очень горячей Вселенной первым в 1948 году развил Г. А. Гамов, американский ученый российского происхождения. Эта теория называется теорией Большого взрыва. Основные черты этой теории сохранились до сих пор, хотя и испытали определенную модернизацию.
Предполагается, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой быласосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда онанаходилась в очень горячем состоянии и постоянно охлаждалась помере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствиибыла названа стандартной.
Из этой модели следуют два вывода: 1) химический состав наблюдаемой части Вселенной в среднем одинаков. Вещество в ней на 77 % состоит из водорода и на 22 % — из гелия (такое значительное количество гелия невозможно объяснить термоядерными реакциями в звездах); 2) в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной и поэтому названное реликтовым.
В 1964 году американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсонэкспериментально обнаружили фоновое электромагнитное излучение (реликтовое), одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность.
Модель горячей Вселенной получила признание в качестве стандартной модели. Однако почему произошел Большой взрыв, эта модель не объясняет. Остаются без ответа вопросы об асимметрии вещества и антивещества во Вселенной, о причинах образования галактик. Важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной был сделан в 2000 г. в лаборатории Центра европейских ядерных исследований (Женева). Было получено новое состояние материи —кварк-глюоновая плазма. Предположили, что в таком состоянии Вселенная находилась первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.
Структура Вселенной
Вселенная— это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию современными астрономическими средствами, называется Метагалактикой.
В 1963 г. на границе наблюдаемой Вселенной, удаленной от нас на миллиарды световых лет, были обнаружены интересные объекты, получившие название квазаров. Квазары выделяют огромную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь
колоссального количества энергии, пока неясно.
Центральными объектами структуры Вселенной являются галактики, слово «галактика» (от греч. galaktikos — млечный) появилось для обозначения звездной системы, к которой принадлежит Солнце. В современном понимании галактика — скопление звезд и звездных систем, которое имеет свой центр притяжения (ядро). Пространство галактики пронизано магнитными полями, космическими лучами, потоками нейтрино. Одна галактика включает до 1013 звезд. Метагалактика содержит несколько миллиардов галактик, которые образуют группы (несколько галактик), скопления (сотни галактик) и сверхскопления (тысячи галактик). Одиночные галактики встречаются редко. В пространстве Вселенной галактики распределены по всем направлениям равномерно. Среднее расстояние между группами и скоплениями галактик в 10—20 раз больше размеров самих галактик. В структурном отношении выделяют разные формы галактик: сферические, спиралевидные, эллиптические, сплюснутые, неправильные. Наибольшее распространение во Вселенной получили спиральные галактики. Они имеют ядро, в котором сконцентрировано до 10 % массы всей галактики. Ядро галактики — главный источник энергии. Спиралевидные галактики считаются самыми молодыми и энергетически мощными. В таких галактиках вокруг ядра группируются старые звезды и массивные облака межзвездного газа. Средние по возрасту и молодые звезды располагаются в диске и спиральных рукавах. Звезды и звездные системы в галактиках движутся по орбитам. В них сосредоточено от 97 до 99,9 % вещества галактики. Звезды— это газовые шары, которые светят собственным светом (в отличие от планет). Отдельные группы звезд — созвездия — выделяли еще в древности, в их названиях отражены образ мыслей, предания, легенды и жизнь разных народов. Сейчас на звездном небе выделено 88 созвездий с четко обозначенными границами. Созвездия служат фоном, на котором изучаются и описываются положения перемещающихся по небу тел. Созвездия, по которым проходит годовой путь Солнца, относят к поясу Зодиака. В древности в него входили 12 созвездий, отсюда деление года на 12 месяцев, так как Солнце проходит участок каждого из них за месяц, т.е. по 30 градусов дуги. Сейчас путь Солнца проходит через 13 созвездий (стало «заходить» в созвездие Змееносца).
оценке размеров звезд исходят из массы Солнца. Сверхгиганты имеют массу равную 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карликизначительно уступают по своим размерам Солнцу. Некоторые из них меньше Земли и ее спутника Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Их диаметр всего 20—30 км, а средняя плотность вещества более 100 млн т/см3. Нейтронные звезды, быстро вращаясь, излучают импульсы, поэтому и называются пульсарами. Если масса ядра звезды превышает две массы Солнца, то его сжатие силами гравитации происходит неудержимо. результате возникает черная дыра— массивный объект, из которого не могут вылетать частицы или фотоны. О его существовании можно судить лишь по сильному гравитационному притяжению.
Звездные спектры содержат большое число линий поглощения, что говорит о наличии в звездах различных химических элементов. Как показывает спектральный анализ, в наружных слоях звезд преобладает водород, на втором месте — гелий. Так, на каждые 10 тысяч атомов водорода приходится тысяча атомов гелия, примерно 10 атомов кислорода, немного меньше углерода и азота и всего один атом железа. Источник светимости звезды— термоядерные реакции преобразования водорода в гелий, протекающие при высоких температурах. В результате этих реакций образуется достаточно устойчивое гелиевое ядро.
Происходящие в нем процессы поддерживают устойчивое состояние звезды. По характеру свечения выделяют: переменные звезды, которые меняют свой блеск и спектр излучения, красные гиганты. В результате распада красных гигантов формируются желтыеи белые карлики. Звезды характеризуются различными поверхностными температурами: «холодные» звезды с температурой 3—4 тыс. градусов — красного цвета;
Солнце с температурой поверхности до 6 тыс. градусов имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды — с температурой выше 12 тыс. градусов имеют белый и голубоватый цвет.
Продолжительность жизни звезд различна: от нескольких миллионов до миллиардов лет. На небе в ясную безлунную ночь хорошо видна яркая белесоватая полоса — это наша Галактика — Млечный Путь. Млечный Путь образует на небе полный круг, который греки назвали молочным кругом. Его население составляют около 200 млрд старых и молодых звезд (Солнце одна из них), которые вращаются вокруг галактического центра. В центре находится скопление звезд с сильным радиоисточником (рис. 1). Предполагают, что это черная дыра с массой в миллион солнечных масс. В 1938 году шведский ученый Б. Линдбланд и голландский астрофизик Я. Оорт установили факт принадлежности Солнца к Млечному Пути. Оно расположено на расстоянии 30 тыс. световых лет от центра (на периферии, в ее спиральном рукаве). Скорость движения Солнечной системы вокруг центра галактики составляет 240 км/с. Галактический год, в течение которого Солнце делает полный оборот вокруг центра Млечного Пути, длится 230 млн лет.
Ближайшие к нам галактики — Магеллановы Облака (в Южном полушарии) и туманность Андромеды (в Северном полушарии).