/
Author: Левитан Е.П.
Tags: физика астрономия астрофизика физические законы устройство вселенной
Year: 1976
Text
Е.П. ЛЕВИТАН
ФИЗИКА
ВСЕЛЕННОЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО-НАУКА-
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Серия «Современные тенденции
развития науки»
Е. IL ЛЕВИТАН
ФИЗИКА
ВСЕЛЕННОЙ
8
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
МОСКВА «976
Книга содержит три популярных очерка — «Нью-
тоновское тяготение», «Земная физика в космической
лаборатории» и «Вселенная с точки зрения общей
теории относительности». Важнейшие классические
результаты и выдающиеся астрофизические открытия
последних лет рассматриваются в книге на основе
фундаментальных законов физики. Широкий круг
затронутых автором проблем позволит читателю
почувствовать масштабы и плодотворные результаты
взаимопроникновения физики и астрономии,
Ответственный редактор
доктор физико-математических наук
|р. В. КУНИЦКИЙ1
„ 20605-011 _ „
Л 054(02)—76 13-75 нн
© Издательство «Наука», 1976 г.
Чтобы действительно знать предмет* надо
охватить* изучить все его стороны* все
связи и «опосредствования». Мы никогда
не достигнем этого полностью* но требо-
вание всесторонности предостережет нас
от ошибок и от омертвения.
В. И. Ленин
ОТ АВТОРА
Человек, познавая Вселенную, из бесконечного числа воз-
никающих при этом задач стремится выделить и пытается
решить наиболее важные, фундаментальные. Он хочет
узнать, как устроен окружающий мир и какое место в этом
мире он занимает. Ему нужно знать, что представляла
Вселенная в прошлом и что ждет ее в будущем. За стрем-
лением найти ответы на такие вопросы скрывается не
только жажда знания, присущая интеллекту. Человек
мечтает использовать Вселенную как гигантскую физиче-
скую лабораторию, теоретические и экспериментальные
исследования в которой помогут ему, по выражению
К. Э. Циолковского, обрести «бездну могущества». Этой
великой и гуманной цели служит весь арсенал средств
и методов современной астрономии. Этой цели посвящают
свой труд и талант многие из самых выдающихся ученых
современности, которые связывают с прогрессом в области
науки о Вселенной перспективы грядущего развития
физики и философии, техники и народного хозяйства.
Астрономия накопила огромное количество сведений
о небесных объектах. Их так много и они столь разно-
образны, что нередко неспециалисту трудно «за деревьями
увидеть лес», за фактами, открытиями, теориями и гипо-
тезами теряются законы, принципы и идеи, составляющие
остов науки. Между тем, ставя перед собой фундамен-
тальные задачи, человек решает их, исходя из немногих
идей физики, объясняющих многие разнообразные явле-
ния природы. Когда вы прочитаете лежащую перед вами
книжку, то увидите, как велик круг вопросов, рассма-
триваемых точки зрения ньютоновского всемирного
3
т готения, как «работают» во Вселенной законы термоди-
намики, а также молекулярной, атомной и ядерной фи-
зики, что можно узнать о Вселенной, рассматривая ее
с точки зрения теории относительности. Такой подход
позволяет затронуть (к сожалению, иногда слишком по-
верхностно) не только большой (даже слишком большой)
круг научных проблем, но и коснуться некоторых вопро-
сов истории науки. Оставить в стороне подобные вопросы
просто невозможно, ведь к истории науки о Вселенной не
меньше, чем к истории физики, относятся слова Эйнштей-
на: «Это драма, драма идей...».
Вселенной, истории ее познания посвящено множе-
ство трактатов, энциклопедических по своему содержанию
научных монографий, чудесных научно-популярных книг,
а также художественных произведений различного жанра.
В советской средней школе астрономия является обще-
образовательным предметом. Астрономическая тематика
не сходит со страниц журналов, газет; ей уделяют видное
место радио, телевидение, кино. Возникновение и стреми-
тельное развитие космонавтики резко повысило интерес
к астрономии. Неудивительно, что в результате всего
этого наши современники немало знают «по астрономии»,
а еще больше слышали о ней. Поэтому автор не ставил
перед собой цель учить читателя, он стремился к другому:
вместе с читателем осмыслить узнанное. Если бы эту цель
удалось достичь, то у читателя появилось бы желание
познакомиться с сутью дела, разобраться в том, что
скрыто за краткими упоминаниями о многих любопытней-
ших вещах. Вот тут на помощь и пришла бы обширная
литература, в которой читатель может найти ответы на
возникающие у него вопросы. И еще. Эта книга не
«про Солнце», «про звезды», «про квазары», «пульсары»
и «черные дыры», а о физике в астрономии, астрофизике
и космологии, это ряд очерков, посвященных физике
в науке о Вселенной.
Большую помощь в работе над рукописью книги ока-
зали многочисленные и очень полезные замечания докто-
ров физико-математических наук И. Д. Новикова и
Л. М. Озерного, рецензировавших рукопись. Автор
искренне благодарен им.
НЬЮТОНОВСКОЕ ТЯГОТЕНИЕ
..»Астрономия, рассматриваемая с самой
общей точки зрения, стала ни чем иным,
как грандиозной проблемой механики».»
Лаплас» 1799 г.
ОТ ЗАРОЖДЕНИЯ АСТРОНОМИИ
К ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Зал погружен в темноту. Но фосфоресцирующие указатели
кнопок и переключателей на пульте позволяют лектору
в темноте управлять необыкновенной машиной — ма-
шиной пространства и времени, или, как принято ее на-
зывать, планетарием.
Наши далекие предки несравненно чаще, чем мы,
любовались картиной звездного неба и научились практи-
чески использовать свои скудные знания о нем. В отличие
от них мы, находясь в вихре жизни современного города,
редко вспоминаем о звездах, а когда вспоминаем, то мало
что можем разглядеть на городском небосводе. Планета-
рий же возвращает нам утраченную в городе возможность
зримого ощущения величия мироздания. Но не только это.
За минуты, проведенные под куполом планетария, можно
увидеть на небе те явления, которые в действительности
протекают в течение многих недель, месяцев, лет. Лектор
нажимает кнопку, и стремительно убыстряется бег вре-
мени — год в четыре минуты, год в одну минуту! Необычно
перемещается Солнце: оно, устремившись навстречу свое-
му суточному движению, мчится по эклиптике, минуя одно
за другим зодиакальные созвездия. Сказочные танцы
устраивают планеты: стремительно перемещаются среди
звезд Меркурий и Венера, довольно быстро — Марс,
степенно — Юпитер и Сатурн.
5
Что это за перемещения? Как в действительности вы-
глядит этот бег планет? Что заставляет двигаться светила?
Такие вопросы издавна возникали у людей, длительное
время наблюдавших за загадочными событиями на звезд-
ном небе. Подобно ребенку, много раз видевшему переме-
щение стрелок часов, но далеко не сразу понявшему, поче-
му стрелки движутся так, а не иначе, человечество шло от
первых наивных представлений до воздвигнутого гением
титанов науки величественного здания небесной меха-
ники. Попытаемся же окинуть взглядом это здание —
от его фундамента до еще неясных контуров вершин.
Астрономия — древнейшая из наук. Мы, вероятно,
не ошибемся, сказав, что она ровесница цивилизации:
элементарные астрономические сведения содержатся в са-
мых древних письменных памятниках. Небесные светила
были союзниками первобытного человека в его нелегкой
борьбе за существование. Задолго до того, как стало из-
вестно что представляют собой Луна, Солнце, звезды,
люди использовали небесные явления для определения
времени и ориентировки. Первые примитивные календа-
ри появились много тысячелетий назад. Еще не умея
писать, люди вели счет дням и неделям, делая зарубки
на палках или узелки на «календарных» шнурах.
Замечательная повторяемость лунных фаз стала у мно-
гих народов основой древнейшего лунного календаря.
Переход от кочевого образа жизни к оседлости вызвал
появление солнечного календаря, необходимого для опре-
деления времени сельскохозяйственных работ. Один из
первых солнечных календарей возник несколько тысяч
лет до нашей эры в Египте и длительное время там совер-
шенствовался. «Необходимость вычислять периоды подъе-
ма и спада воды в Ниле,— писал К. Маркс,— создала
египетскую астрономию, а вместе с тем господство касты
жрецов как руководителей земледелия» *.
Независимо от египетской астрономии, но почти одно-
временно е нею, возникла астрономия в Китае, Вавилоне,
Ассирии и Индии. За несколько веков до нашей эры по-
явился календарь в Древней Греции и Древнем Риме.
В первом тысячелетии нашей эры астрономия получила
развитие у арабов и народов Средней Азии, а также на
* К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т, 23, с. 522.
в
полуострове Юкатан (Центральная Америка), населенном
индейцами майя.
Главной причиной зарождения астрономии у различ-
ных древних народов были насущные практические потреб-
ности. Календари их были неодинаковыми по сложности
и точности. Неодинаковым было и отношение к наблю-
даемым небесным явлениям. В большинстве случаев древ-
ние астрономы ограничивались выполнением наблюдений,
делая это с доступной им точностью. А для древнегрече-
ской астрономии характерно и стремление создать неко-
торую общую систему представлений о мире и попытаться
вывести из нее закономерности наблюдаемых явлений.
В учениях древнегреческих философов и математиков
содержится немало идей, которыми в той или иной сте-
пени воспользовались авторы знаменитых систем мира.
Считается, что еще в VI в. до н. э. Пифагор знал
о шарообразности Земли. Ему же и его ученикам припи-
сывается мысль и о том, что количественные отношения
в природе подчинены всеобщей гармонии. Звезды, Солнце,
Луна и пять планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер,
Сатурн) считались прикрепленными к хрустальным сво-
дам, вращающимся вокруг земного шара и издававшим
музыкальные звуки, причем расстояния между сферами
соответствовали определенным музыкальным интервалам
и образовывали звукоряд! Правда, небесную «музыку
сфер» могли слышать лишь избранные обитатели Земли...
Некоторые пифагорейцы высказывали мысль о дви-
жении Земли. Об этом упоминает Коперник в предисловии
к своей книге «О вращениях небесных сфер». Гениальные
гелиоцентрические догадки были у Аристарха Самосского
(III в. до н. э.).
Однако развитие представлений о мироздании в послед-
ние века до нашей эры пошло по иному пути. Платон
(IV в. до н. э.) завещал своим ученикам отыскать те со-
вершенные круговые движения, комбинация которых
порождает наблюдаемые загадочные блуждания планет.
Впервые это попытался сделать Эвдокс из Книда, а затем
его ученик Калипп. В системе мира Эвдокса было около
30 сфер. Аристотель (IV в. до н. э.) довел их число до 56,
снабдив каждую планету несколькими сферами. Так воз-
никла и на долгие годы завладела умами людей геоцен-
трическая система. Свое завершение она получила в «Аль-
магесте» («Великое построение») Клавдия Птолемея (II в.
7
I
до в. э.). Воспользовавшись введенным Аполлонием
(III в. до н. э.) понятием «эпициклов» (такое название по-
лучили круги, по которым перемещались планеты, причем
центры этих кругов двигались вокруг Земли по другим
кругам — деферентам) и результатами трудов Гиппарха
(II в. до н. э.), Птолемей создал весьма сложную геометри-
ческую теорию движения планет. Эта представляющая
собой великое математическое построение теория, несмотря
на совершенно ошибочную главную идею — централь-
ное положение Земли — позволяла довольно точно пред-
сказывать местонахождение планет на небе. Сходное яв-
ление хорошо знакомо опытным преподавателям матема-
тики и физики, которые неоднократно наблюдали, как их
ученикам удавалось получить правильный, правда, за-
ранее известный ответ, хотя с самого начала решение
задачи шло по ошибочному пути.
Известны ли были гелиоцентрические идеи создателям
геоцентрической системы мира? На этот вопрос можно от-
ветить положительно, иначе Аристотелю не пришлось бы
отвергать возможность обращения Земли вокруг Солнца.
Два тысячелетия отделяют пифагорейца Филолая от
одного из крупнейших мыслителей XV в. немецкого фило-
софа Николая Кузанского. Но у того и у другого были
догадки о том, что Земля движется: у пифагорейца —
ближе к фантастике, а у средневекового ученого — ближе
к науке. Однако эти догадки, равно как и мысли, выска-
занные в течение столетий, отделявших этих философов,
не оказали решающего влияния на геоцентрическую си-
стему мира, которая помогала хорошо решать практиче-
ские задачи и на протяжении веков поддерживалась авто-
ритетом церкви.
Николаю Копернику (1473—1543) суждено было стать
величайшим реформатором науки о Вселенной. Благо-
дарное человечество, отмечая 500-летие со дня его рожде-
ния, назвало 1973 год «годом Коперника». В созданном
около 1515 г. «Малом комментарии» польский астроном
сформулировал семь требований (предпосылок), состав-
ляющих сущность гелиоцентрической системы. «Пусть
никто не полагает,— писал Коперник,— что мы вместе
с пифагорейцами легкомысленно утверждаем подвиж-
ность Земли; для этого он найдет серьезные доказатель-
ства в моем описании кругов. Ведь те доводы, при помощи
которых натурфилософы главным образом пытаются
8
установить ее неподвижность, опираются большей частью
на видимость; все они сразу же рухнут, если мы также на
основании видимых явлений заставим Землю вращать-
ся» ♦. В этих словах утверждается знаменитый принцип,
согласно которому нельзя на веру принимать видимые
явления, нужно проникнуть в их сущность и тогда может
оказаться, что видимые явления совершенно не тождест-
венны действительным, истинным, их вызвавшим.
Загадочные петли, которые «блуждающие светила»
вычерчивают на фоне звездного неба, получили в теории
Коперника простое и естественное объяснение. Оно за-
ключается в том, что планеты с определенными скоростями
движутся вокруг Солнца, а мы наблюдаем их движение
с Земли, тоже обращающейся вокруг Солнца.
Эпиграфом к своему произведению «О вращениях
небесных сфер» Коперник взял слова, начертанные по пре-
данию на дверях Платоновской академии: «Пусть не вхо-
дит никто, не знающий геометрии». В этой книге, выпол-
няя обещание, данное им в «Малом комментарии», Копер-
ник подробно излагает математическое обоснование своей
теории. Первое издание этого гениального труда увидело
свет в 1543 г.— в год смерти Коперника. А 73 года спустя
«святая инквизиция» осудила и запретила учение Копер-
ника: «Учение, что Солнце находится в центре мира и
неподвижно, ложно и нелепо, еретично и противно свя-
щенному писанию. Учение же будто Земля не находится
в центре мира и движется, обладая к тому же суточным
вращением, ложно и нелепо с философской точки зрения,
с богословской же по меньшей мере ошибочно».
Почти два века произведение Коперника «О вращениях
небесных сфер» числилось в мрачном «Индексе запрещен-
ных книг» католической церкви. Но остановить развитие
астрономии, вступившей на путь гелиоцентризма, ока-
залось невозможным. Первыми вехами на этом пути стали
страстные выступления Джордано Бруно (1548—1600)
и телескопические открытия, сделанные Галилеем (1564—
1642). Особое значение для возникновения небесной ме-
ханики имели установленные Галилеем принципы инер-
ции и относительности механических движений, а также
знаменитые законы Кеплера.
Николай Коперник, О вращениях небесных сфер. М., «Наука»,
1964, стр. 420.
9
ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА
В 1595 г. Кеплеру (1571—1630) показалось, что им от-
крыты важные закономерности в Солнечной системе и
тем самым постигнут ((божественный план творения мира»,
в существование которого Кеплер верил. В следующем
году он опубликовал книгу с многозначительным назва-
нием — «Предвестник космографических исследований,
содержащий космографическую тайну».
Но на самом деле Кеплеру, чтобы открыть «космогра-
фическую тайну», предстояло отдать этому труду многие
годы, преодолеть множество невзгод и лишений. Лишь
в 1609 г. в книге «Новая астрономия» Кеплер сформулиро-
вал первые два закона движения планет, а еще через де-
сять лет установил третий закон, опубликованный в книге
«Гармония мира».
Законы Кеплера блестяще завершили общую геометри-
ческую картину движения планет. Она была создана
в XVII в. на основе тщательнейшего анализа данных,
полученных к тому времени путем наблюдений, включая
двадцатилетние наблюдения датского астронома Тихо
Браге. Что же установил Кеплер?
Согласно его первому закону, все планеты движутся по
эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.
Таким образом, долгие поиски формы орбит планет при-
вели к выводу, что это эллипсы, а не окружности. Согласно
второму закону, площади, описываемые радиус-векторами
планет, пропорциональны временам. Иными словами:
планеты движутся неравномерно, причем вблизи пери-
гелия скорости их больше, чем вблизи афелия, а отсюда
следует, что Солнце — источник силы, которая движет
планеты. Наконец, третий закон Кеплера гласит, что ква-
драты периодов обращения двух планет относятся как
кубы больших полуосей их орбит. Этим законом Кеплер,
по его собственным словам, «нашел наличие гармонии как
в связях, так и в частностях».
Сегодня законы Кеплера полагается знать каждому
школьнику. Уточняя и дополняя представления Коперника
о движении планет, эти законы стали исходным пунктом
развития современной небесной механики — науки, изу-
чающей движение небесных тел.
Значение законов Кеплера выходит за рамки кинема-
тики планетной системы, ибо у каждого, кто вдумается
10
в них, возникнет вопрос о силе, заставляющей планеты
двигаться вокруг Солнца. Что это за сила? Сейчас нам
трудно представить, что еще во времена Кеплера были
люди, которые думали, что планеты толкают... машущие
крыльями ангелы. Не прав был и Кеплер, который по
существу отождествлял гравитационное и магнитное взаи-
модействия, объясняя магнетизмом взаимное притяжение
тел, приливы и отливы. И тем не менее Кеплер, безуслов-
но, сделал важный шаг к открытию, которое подарил
миру Ньютон.
Предсказав открытие вращения Солнца вокруг оси,
Кеплер связывал с ним само происхождение силы,
перемещающей планеты. «Законодатель неба» считал, что
сила притяжения Солнца обратно пропорциональна рас-
стоянию до него. Он приписывал небесным телам «склон-
ность к покою» и ввел в физику термин «инерция». Различ-
ным расстоянием планет от Солнца и различной инерцией
планет Кеплер пытался объяснить их наблюдаемые орби-
тальные скорости, но это не обогатило физическим содер-
жанием картину движения небесных тел.
В распоряжении Исаака Ньютона (1643—1727), кото-
рый в 26-летнем возрасте стал профессором Кембридж-
ского университета, а еще через три года — членом Лон-
донского Королевского общества, были законы Кеплера
и сформулированный Галилеем принцип инерции. Этого
Ньютону оказалось достаточно, чтобы понять, что плане-
ты не нуждаются в силе, которая двигала бы их вперед.
Им нужна иная сила, а именно та, которая непрерывно
искривляет траекторию движения планеты и без которой
она вечно мчалась бы по прямой.
Ньютону предстояло объяснить, почему планеты удер-
живаются на своих орбитах, какая сила заставляет их
оставаться на орбитах. Первые два закона Кеплера ука-
зывали на то, что в любой точке орбиты сила, действую-
щая на планету, точно направлена к Солнцу. Третий закон
Кеплера предсказал зависимость силы, действующей на
планету, от расстояния до Солнца (закон обратного квад-
рата расстояния). Ньютону посчастливилось увидеть,
что сила, с которой Солнце притягивает планету, есть
частный случай силы, действующей между любыми телами
и, как мы теперь знаем, равной
11
т. е. каждые две материальные частицы притягивают друг
друга с силой F, прямо пропорциональной их массам
т1 и тг и обратно пропорциональной квадрату расстоя-
ния г между ними. Так формулируется закон всемирного
тяготения Ньютона.
Да простит нас читатель за то, что мы, отступая от тра-
диций популяризации, не рассказываем здесь историю об
упавшем с дерева яблоке. И дело, конечно, не в том, что
сам Ньютон, по-видимому, нигде не упоминал о яблоке;
просто популяризаторы работ Ньютона, начиная с Воль-
тера, более чем подробно осветили эту часть проблемы
теории тяготения. Скажем лучше, не боясь повториться,
что сделанное Ньютоном открытие вызывает восхищение
мощью человеческого разума. Вместе с тем, прав
Р. Фейнман, говоря: «Мы заслуженно восхищаемся умом
человека, но неплохо было бы постоять некоторое время
в благоговении и перед природой, полностью беспреко-
словно подчиняющейся такому изящному и такому про-
стому закону — закону тяготения» *.
Книга Ньютона «Математические начала натуральной
философии» (1687), содержащая три закона «земной меха-
ники» и закон всемирного тяготения, знаменует собой
появление фундамента здания небесной механики. В этой
книге многие поколения небесных механиков нашли не
только основополагающие физические принципы и идеи,
но и необходимый математический аппарат. Небесная
механика стимулировала рождение высшей математики
и в дальнейшем связала с ней свою судьбу: прогресс в об-
ласти небесной механики стал неотделим от прогресса
в различных областях математики.
Однако вернемся к закону всемирного тяготения. Нам
предстоит еще много раз убедиться в том, что сила тяго-
тения — одна из самых могущественных сил, действую-
щих во Вселенной. А на Земле? На Земле мы так привыкли
к ней, что часто просто не замечаем ее, как не замечаем
воздух, которым дышим. Но ведь именно эта сила притя-
гивает к центру Земли все находящиеся на ней тела, она
же определяет «верх» и «низ» на Земле, с нею борются
прыгуны и штангисты, ей человек пытается противопо-
ставить силу тяги могучих двигателей космических ракет.
* Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, Фейнмановские лекции по
физике. М., «Мир», 1965, т. 1, с, 122,
12
Значит, она велика и на Земле? В приведенных примерах,
конечно, да, так как в них одним из взаимодействующих
тел была достаточно большая масса — масса Земли,
примерно равная 6’1027 г. Но если мы рассмотрим взаимо-
действие двух каких-либо тел, находящихся на Земле,
то просто не заметим никаких проявлений силы тяготения:
две рядом лежащие на столе книги отнюдь не движутся
навстречу друг другу. Это объясняется тем, что сила тяго-
тения между ними очень мала, во много раз меньше, чем,
например, сила трения между покоящейся книгой и сто-
лом.
Более чем через сто лет после открытия закона тяго-
тения в лаборатории Кэвендиша впервые была измерена
величина G — «постоянная тяготения», или «гравита-
ционная постоянная». Впоследствии многие эксперимен-
таторы уточняли величину этой постоянной.
В системе единиц СГС ее сейчас принимают равной
G = (6,673 ± 0,003) • 10-8 г-1 см» с-2
в системе единиц СИ
G = (6,673 ± 0,003). 10-11 Н-м2.кг-2.
Зная численное значение G, легко вычислить силу
взаимного притяжения любых тел. Например, оказыва-
ется, что два тяжелых шара с массами по 1 т, центры ко-
торых удалены на расстояние 1 м, притягиваются с ни-
чтожной силой, равной 6,67-10~5 Н.
Формальный анализ закона всемирного тяготения
может привести к кажущимся парадоксам. Например,
не задумывались ли вы о том, как нам удается поднять
авторучку, лежащую на столе, или самим встать со стула,
ведь в этих и подобных им случаях расстояние г равно 0,
а значит сила тяготения, вычисленная по формуле закона
всемирного тяготения, должна быть бесконечно велика?
И вообще: что такое г? Об этом, правда, сказано в форму-
лировке закона всемирного тяготения. Но там говорилось
о материальных частицах, т. е. телах, размерами которых
можно пренебречь по сравнению с расстоянием между
ними. Значит, можно смело пользоваться формулой закона
всемирного тяготения, если расстояние г между центрами
масс двух тел много больше, чем собственные размеры D
тел, т. е. при r^> D. Но тогда мы, может быть, неправильно
вычисляли силу притяжения двух тяжелых шаров?
19
Нет, все верно, ибо два однородных шара, в которых
вещество распределено равномерно и даже шары, состоя-
щие из концентрических слоев, отличающихся по своей
плотности, притягиваются друг к другу так, как если бы
их массы были расположены в их центрах. Каждая части-
ца авторучки, лежащей на столе, притягивается всеми
частицами земного шара. Но в данном случае нет необхо-
димости суммировать попарно вычисленные силы притя-
жения частиц, так как очевидно, что равнодействующую
всех этих сил можно просто вычислить, умножив массу
авторучки на ускорение силы тяжести у поверхности
Земли.
Чтобы избежать бесконечностей при расчетах притя-
жения произвольных тел, для которых не выполняется
соотношение г D, придется, конечно, применять фор-
мулы, в которых учитывается распределение плотности
в телах и форма тел ♦.
Но при решении большинства задач небесной механики
используется уже знакомая нам формула закона всемир-
ного тяготения. Массы небесных тел столь велики, что
несмотря на разделяющие их очень большие расстояния
и малость величины G в мире небесных тел господствуют
огромные силы тяготения.
Разработав теорию движения небесных тел, Ньютон
показал, что из закона всемирного тяготения вытекают и
законы Кеплера. В аналитической форме первый закон
Кеплера может быть записан так:
а (1 — е2)
г ~ 1 + ecosq s
где г — расстояние планеты от Солнца, а — большая
полуось эллиптической орбиты, в фокусе которой нахо-
дится Солнце, е — степень вытянутости (эксцентриситет)
эллипса, г] — угол между направлением на Солнце и пери-
гелием.
Под действием тяготения движение в системе двух
любых тел (материальных точек) может происходить не
только по эллипсу (как утверждал Кеплер в своем пер-
вом законе), но также по окружности, параболе или по
ветви гиперболы.
Такие формулы интересующиеся могут найти, например, в кни-
ie: Г. Н. Дубошин. Небесная механика. М., «Наука», 1968.
14
Хорошо изучена зависимость формы орбиты от вели-
чины начальной скорости. Пусть, например, в начальный
момент вектор скорости перпендикулярен радиусу-вектору
и начальное положение тела совпадает с перицентром.
Тогда при v0 = 0 тело будет двигаться по прямой, соеди-
няющей перицентр и апоцентр *. Постепенно увеличи-
вая п0, мы будем убеждаться, что траектории движения
тела становятся эллиптическими. Сначала эти эллипсы
окажутся очень вытянутыми, потом их эксцентриситеты
станут расти, а сами эллипсы будут приближаться к окруж-
ности. При определенных значениях начальной скорости
орбитой тела станет парабола или даже ветвь гиперболы.
Но как же быть тогда со школьной истиной, глася-
щей, что тело, брошенное горизонтально, движется по па-
раболе? Да, действительно, каждый из нас убеждается
на опыте, выполненном в физическом кабинете, что шарик
летит по параболе. Очевидно, дело здесь в том, что шарик
мы бросали с очень маленькой начальной скоростью,
а поэтому и летел-то он по очень сильно вытянутому
эллипсу, в фокусе которого находился центр масс ...Земли!
Легко сообразить, что из-за чрезвычайной удаленно-
сти этого фокуса идущие к нему радиус-векторы от летя-
щего шарика практически оказываются параллельными,
а это и дало нам основание принять за параболу остаю-
щуюся над поверхностью Земли часть эллипса. Соответ-
ственно и баллистическая кривая есть искаженная со-
противлением воздуха часть эллипса, а не параболы.
Второй закон Кеплера говорит о сохранении секто-
риальной скорости планеты. Если обозначить ее о, а че-
рез 5 — площадь, описываемую радиусом-вектором пла-
неты, то
ds 1
« = “5Г = sin (rv)s
где гиг — соответственно скалярные и векторные вели-
чины радиуса-вектора, а п и v — скаляр и вектор орби-
тальной скорости планеты.
Важное уточнение содержится в ньютоновской форму-
ле третьего закона Кеплера. Оно отчетливо проявляется,
* Перицентр — точка орбиты, ближайшая к центральному телу,
вокруг которого совершается движение; апоцентр •— точка
орбиты, наиболее удаленная от этого тела.
15
если представить третий закон Кеплера В виде
^(Mq+лп!) _ а3
^(Ме + т2) а1
где М® — масса Солнца, ти Рх и аг — соответственно
масса, сидерический период (период обращения) и боль-
шая полуось (среднее расстояние от Солнца) первой пла-
неты, /Пг, Р2 и а2 — соответственно масса, сидерический
период и большая полуось второй планеты.
Так как т1 и /п2<^М0, то ясно, что из этой
формулы легко получается обычная формула закона
Кеплера (Pf/Pf = af/af). Но значимость формулы Нью-
тона именно в том, что она, включая массы небесных тел,
дает метод вычисления их величин.
Область применения обобщенных Ньютоном законов
Кеплера не ограничивается пределами солнечной системы.
Их «всемирный» характер наглядно проявляется, в част-
ности, при рассмотрении движения звезд в двойных систе-
мах. Для этого достаточно сравнить движение компонен-
тов двойной системы и движение планеты вокруг Солнца.
Тогда, пренебрегая массой планеты по сравнению с мас-
сой Солнца, а также принимая массу Солнца за 1, получим
Afi += Л8/Р%
где Мх и М2 — массы компонентов (в солнечных массах)t
А — большая полуось орбиты звезды-спутника (в астро-
номических единицах), Р — период обращения звезды-
спутника (в земных годах).
Если из анализа астрометрических наблюдений уда-
ется узнать отношение расстояний главной звезды и
звезды-спутника от их общего центра масс, то легко вы-
числяется не только сумма масс компонентов, но и массы
отдельных звезд. Невозможно переоценить значение этого
факта для развития представлений о Вселенной и, прежде
всего, для физики звезд, так как масса — важнейшая
физическая характеристика звезд, являющихся самыми
распространенными небесными телами Вселенной.
16
ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Движение планеты представляет собой сочетание посту-
пательного (обращение вокруг Солнца) и вращательного
движений. Изучая их, астрономы не только выявляют
общие законы небесной механики, но на этой основе
составляют таблицы планетных движений, необходимые
для практики наблюдений.
Если бы вокруг Солнца двигалась только одна планета,
то исследование в основном сводилось бы к решению за-
дачи двух тел. Орбита такой планеты была бы эллипсом.
Эллиптическая орбита характеризуется в небесной ме-
ханике шестью элементами. Два из них (наклонение ор-
биты i и долгота восходящего узла Q) определяют поло-
жение плоскости орбиты относительно плоскости эклип-
тики. Третий элемент со представляет собой угловое рас-
стояние перигелия орбиты от узла, фиксирует ориентацию
орбиты в ее плоскости. Роль третьего элемента может
также играть долгота перигелия, под которой понимают
л = Q + о. Эксцентриситет орбиты е и ее большая полу-
ось а определяют форму и размеры орбиты. Шестым эле-
ментом орбиты можно считать t—момент прохождения пла-
неты через перигелий орбиты. Ясно, что t фиксирует поло-
жение планеты на орбите. Иногда к этим шести элемен-
там добавляют еще седьмой — период обращения Р.
Так вот, в случае упрощенной системы (Солнце—пла-
нета) можно было бы рассматривать Солнце и одну его
далекую планету как материальные точки и вычислить
все элементы орбиты, которые оставались бы практически
неизменными.
Но на самом деле в солнечной системе девять больших
планет, десятки спутников планет, множество астерои-
дов, кометное облако. Кроме того, солнечная система не
изолирована от мира звезд: Солнце — одна из звезд Га-
лактики. В столь общей постановке исследовать движение
планет солнечной системы не представляется возможным.
Непреодолимые трудности возникают и на пути реше-
ния задачи, в которой рассматривается система Солнце —
девять планет. Физический смысл такой задачи ясен:
требуется рассмотреть движение системы, состоящей из
10 материальных точек, между которыми существует
ньютоновское притяжение. Математические трудности со-
пряжены с необходимостью интегрирования системы диф-
17
ференциальных уравнений, а эта система 6 (п + 1) по-
рядка, где в нашем случае п = 9, а следовательно, поря-
док системы равен 60. Десять первых (классических)
интегралов могут быть получены из общих принципов
механики или выводятся из самих уравнений, а дальше
не имеет смысла искать (это стало ясно в XIX в.) даже
некоторые из интегралов, оставшихся неизвестными. Уже
для задачи трех тел сложность искомых интегралов
должна полностью исключить их практическое примене-
ние. В 1942 г. финский ученый Сундман (1873—1949),
занимавшийся проблемой аналитического представления
движения системы, состоящей из трех тел (материальных
точек), показал, что поиск общего решения приведет
к рядам, в которых придется рассматривать более 1О80 000
членов! Причем, столь большое число членов (здесь уж,
пожалуй, и ЭВМ бессильны!) позволило бы лишь прибли-
женно получить значение координат исследуемого не-
бесного тела месяца на два вперед.
Таким образом, пока нет аналитического решения за-
дачи трех тел. Однако различные частные случаи этой
задачи представляют практический интерес. Познако-
мимся с одним из них.
Пуанкаре предложил назвать ограниченной задачей
трех тел такой случай, когда масса одного из тел очень
мала по сравнению с массами двух остальных. И в астро-
номии и в астродинамике с таким случаем действительно
приходится иметь дело. Примеры подобных ситуаций мы
встречаем в различных системах: «Солнце — Юпитер —
комета», «Солнце — Юпитер — астероид (или группа ас-
тероидов)», «Земля — Луна — космическая ракета» и т. д.
В ограниченной задаче трех тел считается, что два тела
имеют конечные массы (тп0 и тпх), а третье (тп2), обла-
дая «нулевой массой», притягивается двумя первыми,
но само не влияет на их движение. Поэтому характер
движения тел вокруг центра масс системы оказывается
таким, будто тела «нулевой массы» вообще не существует.
Пяти решениям ограниченной задачи соответствуют
пять либрационных точек (точек Лагранжа) положение
которых, во-первых, зависит от соотношения масс, входя-
щих в систему небесных тел, во-вторых, они не меняются
в процессе движения. Иными словами, лагранжевы точ-
ки — устойчивые конфигурации, при которых положение
всех трех тел как бы жестко фиксируется (положение
18
«относительного равновесия»). Три либрационные точки
(Li, Ь2, Ь8), названные коллинеарными (прямолинейны-
ми), лежат на прямой, проходящей через т0 и а две
другие (Ь4 и Ls) находятся в вершинах двух равносто-
ронних треугольников с общим основанием, представляю-
щим отрезок прямой между точками /Поии^. Устойчивость
коллинеарной и треугольной систем неодинакова: менее
устойчива коллинеарная система, весьма чувствительная
к возмущениям. Очевидно, по этой причине прямолиней-
ная система практически не реализуется в природе, хотя
можно указать положение точек, например, для системы
«Земля — Луна — тело малой массы». Точки и L%
находятся примерно на одном и том же расстоянии по обе
стороны от Луны. Заметим, что положение точки Zq
не совпадает с нейтральной точкой, в которой силы тяго-
тения Земли и Луны, действующие на какое-либо тело,
одинаковы. В отличие от прямолинейных точек 7^, L2 и L9
точки L4 и Ls могут быть местом расположения реальных
космических объектов. В 1959 г. польский астроном
Кордылевский сообщил о том, что именно в этих точках
он обнаружил пылевые облака, представляющие собой
труднонаблюдаемые и весьма своеобразные естественные
спутники Земли.
Классический пример реализации треугольных точек
Лагранжа в системе «Солнце — Юпитер — астероиды» —
астероиды Троянцы. Первый из Троянцев был открыт
в 1907 г. Сейчас их известно 15: десять находится вблизи
точки Ь4, а пять — вблизи точки Ls. Троянцы движутся
вокруг Солнца и совершают сложные периодические дви-
жения вокруг точек либрации, иногда удаляясь от них
на 25—40° по долготе, но никогда не приближаясь к ним
ближе 5°. Для дальнейшего освоения солнечной системы
может оказаться существенным, что Троянцы — довольно
крупные астероиды: диаметр астероида Патрокла более
270 км, Гектора — около 220 км, а диаметры других
близки к 100 км.
Но вернемся к вопросу о поступательном движении
больших планет. В системе «Солнце — планеты» элементы
планетных орбит не остаются постоянными; под действием
взаимного притяжения эллиптическая орбита данной пла-
неты медленно изменяется со временем, причем изменяет-
ся и форма эллипса, и его положение в пространстве.
Это означает, что обычный кеплеровский эллипс превра-
19
щается в оскулирующии, соответственно и его элементы
называются оскулирующими. Такое странное название
придумал Лагранж («oskulatio» в переводе с латинского —
«поцелуй»). Чем оно объясняется? Может быть, Лагранж
хотел подчеркнуть «интимную» близость возмущенной и
невозмущенной орбит? Это остроумное предположение при-
надлежит московскому специалисту в области небесной
механики Н. Д. Моисееву.
Создание гравитационной теории движения больших .
планет стало возможным благодаря применению прибли-
женных методов решения дифференциальных уравнений.
Суть дела сводится к тому, что выражение для возмущен-
ных координат планеты или элементов ее орбиты записы-
вают в виде рядов, первые члены которых представляют
собой невозмущенные значения координат и элементов ор-
бит, а последующие — набор различных возмущений.
Среди последних есть вековые возмущения, пропорцио-
нальные t* (здесь к — целое положительное число), перио-
дические возмущения, содержащие тригонометрические
функции времени (синус и косинус), а также смешанные
возмущения, пропорциональные произведению времени
па периодические функции времени. В теории движения
планет солнечной системы успешно используются разви-
тые аналитические и численные методы, позволяющие ис-
следовать движение планет и достаточно уверенно пред-
сказывать их положение. Небесная механика второй поло-
вины XX в. получила возможность опираться и на огром-
ные ряды наблюдений, и на созданную гравитационную
теорию, и на мощь современной вычислительной техники.
Построение гравитационной теории движения боль-
ших планет в свое время было неотделимо от стремления
убедиться в справедливости закона всемирного тяготения
для больших расстояний. Требовалось рассмотреть на-
блюдаемые отклонения в движении планет и доказать, что
не только само их движение подчинено закону всемирного
тяготения, но ему подчиняются и все отклонения, пред-
ставляющие собой результат воздействия других планет
на данную планету.
Основы гравитационной теории движения планет со-
здавались Эйлером и Лагранжем, когда еще не были из-
вестны планеты, более далекие, чем Сатурн. Движение
Урана, открытого В. Гершелем в 1781 г., не укладыва-
лось в рамки теории, построенной Лапласом в начале
20
XIX в. Но наблюдаемые расхождения оказались связан-
ными не с ограниченностью закона всемирного тяготе-
ния, а с тем, что тогда еще не знали о существовании пла-
неты, которая, находясь за Ураном, вызывала эти расхож-
дения. Открытие этой планеты — Нептуна — триумф за-
кона всемирного тяготения. Верой в этот закон были про-
никнуты увенчанные победой искания Адамса и Леверье.
Получив письмо Леверье с указанием координат плане-
ты, ассистент Берлинской обсерватории Галле в первый
же вечер наблюдений, 23 сентября 1846 г., нашел ее в 52х
от места, указанного Леверье, и в 2,27° от предвычисленно-
го Адамсом положения.
С именем Леверье связано не только открытие Непту-
на: он внес исключительно большой вклад в разработку
теории движения ряда планет, включая Землю. Последнее
очень важно, так как мы наблюдаем небесные тела с дви-
жущейся Земли. Поэтому теория движения Земли имеет
фундаментальное значение для построения теории дви-
жения планет.
Девятая планета — Плутон — была открыта К. Томбо
в январе 1930 г., хотя попытки предсказания ее положе-
ния относятся к концу XIX и началу XX в. Персиваль
Лоуэлл в своей Флагстаффской обсерватории много лет
искал неуловимую «планету X».
Время от времени в печати мелькают сообщения об
открытии десятой планеты, но они не подтверждаются;
пока еще никому не удалось обнаружить планету, которая
находилась бы к Солнцу ближе, чем Меркурий, или была
бы удалена от Солнца дальше, чем Плутон.
ВРАЩЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Небесные тела совершают, как уже было сказано, не толь-
ко поступательное, но и вращательное движение. Это от-
носится и к планетам, и к Солнцу, и к звездам. Факт вра-
щения небесных тел может быть установлен различным
образом. Иногда он просто выводится из визуальных или
фотографических наблюдений: например, сравнение ряда
последовательных зарисовок солнечных пятен, деталей па
поверхности Марса, облачных образований в атмосфере
Юпитера приводят к заключению, что Солнце и эти пла-
неты вращаются вокруг собственных осей. Наблюдения
21
позволяют с высокой точностью определить и период
вращения. В тех случаях, когда устойчивых деталей на
поверхности планеты или в ее атмосфере не видно, вопрос
о вращении планеты решается с помощью спектральных
или радиоастрономических (радиолокационных) наблю-
дений. Так, лишь в последнее десятилетие радиометоды
помогли разобраться в проблеме вращения Меркурия и
Венеры, причем в первом случае пришлось отказаться
от старого представления о синхронном вращении Мер-
курия, а о вращении Венеры просто ничего достоверного
не было известно.
Неоценимую услугу в исследовании вращения неко-
торых планет оказали спектральные наблюдения. Они
также позволили советскому астрофизику Г. А. Шайну и
американскому астроному О. Струве разработать метод
изучения вращения звезд (1928). Как известно, звезды
из-за удаленности от нас даже в самые мощные телескопы
кажутся точечными объектами и рассмотреть на них
что-либо невозможно. Открытие вращения звезд было
сделано в результате тщательных спектральных наб-
людений эффектов, возникающих в системах двойных
звезд.
Научное и мировоззренческое значение открытия вра-
щения звезд трудно переоценить. В частности, уже сей-
час установлена связь скорости вращения с такими физи-
ческими характеристиками звезд, как их массы, свети-
мости и спектральные классы. Медленно вращающиеся
звезды могут, подобно нашему Солнцу, обладать планет-
ными системами: в процессе возникновения планет неко-
торые звезды и замедлили свое вращение. Разумеется, это
обстоятельство представляет немалый интерес для поис-
ков планетных систем и проблемы внеземных цивили-
заций.
Наблюдения обнаруживают сходство в характере вра-
щения Солнца и планет-гигантов: экваториальные области
этих небесных тел вращаются быстрее, чем полярные.
У Солнца расхождение достигает нескольких суток,
у Юпитера — нескольких минут. Это объясняется тем, что
Солнце и протяженные атмосферы планет-гигантов вра-
щаются не как твердые тела. Их экваториальные зоны,
в которых велики линейные скорости, обладают и наи-
большими угловыми скоростями. «Твердые» планеты так
не вращаются: например, угловые скорости всех точек,
22
расположенных на каком-нибудь меридиане Земли, оди-
наковы, а линейные различны (линейная скорость точек
на экваторе Земли составляет 465 м/с, а на широте Мо-
сквы — 262 м/с).
Ряд явлений, связанных с вращением планет, удобно
проследить на примере Земли. Как уже говорилось, тезис
о вращении Земли вокруг оси — один из важнейших
в теории Коперника. Усвоив его, люди перестали считать
действительными суточные движения Солнца, Луны, пла-
нет и «неподвижных» звезд, хотя вращение «небесной
сферы» и по сей день с большой пользой изучается в сфери-
ческой и практической астрономии. Но если сейчас вра-
щение Земли вокруг оси не вызывает ни у кого сомнения
и даже используется при запусках космических аппара-
тов, то раньше требовались доказательства, и они были
найдены физиками. Классическими доказательствами
вращения Земли считаются наблюдаемые со времен
Галилея отклонения падающих тел к востоку и широко
практикуемый демонстрационный эксперимент с маят-
ником Фуко, причем эффекты, наблюдаемые в этих экспе-
риментах, хорошо согласуются с численными значениями,
которые следуют из простых формул теоретической меха-
ники. Зная, что земной шар вращается с запада на восток,
географы и метеорологи сумели объяснить немало явле-
ний, связанных с течением рек, направлением постоянных
ветров и т. д. Вращением Земли объясняется и тот факт,
что вода океанов не стекает к земным полюсам.
Земля вращается довольно быстро, и это не могло не
отразиться на ее фигуре. Но как именно? Всемирное тя-
готение предопределяет вид небесных тел. Подчиняясь
ему, все большие планеты и звезды, не входящие в состав
тесных пар, в процессе формирования приобрели форму,
близкую к шару — самому компактному телу. Эту рав-
новесную конфигурацию «подсказало» будущим планетам
и звездам не божественное могущество, а закон всемир-
ного тяготения.
Теория, основанная на законе всемирного тяготения,
не только объясняет шарообразность небесных тел, но
и позволяет уточнить их фигуру, предсказать их сплюс-
нутость. Ньютон, положив в основу теории фигуры Земли
закон всемирного тяготения и условие гидростатического
равновесия, рассматривал поверхность, во всех точках
которой равнодействующая сила тяготения и центробеж-
23
ная сила одинаковы. Такая поверхность с одинаковой
силой тяжести называется уровенной поверхностью.
Делая дополнительные предположения относительно одно-
родности Земли (что весьма далеко от действительности)
и ее геометрической поверхности (эллипсоид вращения
с малым сжатием), Ньютон оценил сжатие Земли, получив
значение 1/230.
Вывод Ньютона о том, что Земля сжата у полюсов, про-
тиворечил результатам больших геодезических работ,
проведенных во Франции в 1683—1718 гг. и указывавших
на то, что наша планета... имеет продолговатую форму.
Однако после долгих споров удалось доказать правоту
Ньютона. Это сделали французские же экспедиции, одна
из которых измеряла дугу меридиана в Перу (1735—
1742), а другая — в Лапландии (1736—1737). Более точ-
ные геодезические работы проведены лишь в XIX в. Са-
мым выдающимся было измерение дуги меридиана от устья
Дуная до Северного Ледовитого океана (25° или 2800 км
по меридиану), выполненное русскими геодезистами.
Что же касается теории фигуры Земли, то она дальнейшее
развитие получила в трудах ряда ученых, начиная
с Клеро.
В первом приближении Земля имеет форму эллипсоида
вращения, у которого полярный радиус на 21 км короче
экваториального, а сжатие, по современным данным, есть
а = (а — Ь)/а = 1/298,3, где а — экваториальный радиус
Земли, b — полярный радиус. Более точно Землю пред-
ставляет трехосный эллипсоид, элементы которого в на-
чале 40-х годов были получены советскими геодезистами
Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым на основании анализа
астрономо-геодезических градусных измерений, выпол-
ненных в СССР, США, Западной Европе и Индии.
Истинная фигура Земли, учитывающая неровности ее
поверхности, весьма сложна. Это связано, с одной сторо-
ны, с асимметрией Земли по отношению к экватору. На-
блюдения, выполненные с помощью искусственных спут-
ников Земли, как будто свидетельствуют о том, что Север-
ный полюс находится на 15 м далыце от центра, а Южный—
на 15 м ближе к центру Земли, чем это должно быть
в случае симметричного сжатия. С другой стороны,
сложность фигуры нашей планеты связана с очень сложным
строением земной поверхности, для которой столь харак-
терны океанические впадины и горные массивы. Уточне-
24
ние фигуры Земли — одна из задач космической геоде-
зии. В развитии этой новой области геодезии очень за-
интересованы геофизики, желающие, например, получить
подтверждение столь модной сегодня гипотезы глобаль-
ной тектоники плит (более известной под названием
дрейфа континентов).
Хотя уточнение фигуры Земли продолжается, геоде-
зия и картография с достаточной точностью основываются
на данных о Земле как эллипсоиде вращения. В ряде
задач небесной механики модель Земли представляется
в виде шара с надетым на него массивным обручем. Напри-
мер, экваториальное вздутие позволяет объяснить пре-
цессию орбиты искусственных спутников Земли. Об этой
прецессии у нас еще будет повод поговорить в связи
с экспериментальной небесной механикой, а сейчас пора
сказать о другой прецессии, о существовании которой
астрономы знали со времен Гиппарха, а объяснение кото-
рой появилось только после открытия закона всемирного
тяготения.
Астрономам прошлого было известно лишь предваре-
ние равноденствий — непрерывное смещение точки ве-
сеннего равноденствия по эклиптике навстречу годичному
движению Солнца. Скорость смещения точки весеннего
равноденствия составляет примерно 50" в год. Сейчас
механика лунно-солнечной прецессии изучена весьма
подробно. Основная идея заключается в том, что Луна
и Солнце, которые движутся вне плоскости земного эква-
тора, притягивают экваториальное вздутие Земли, созда-
вая две возмущающие пары сил —- одну от Луны, другую
от Солнца. Обе пары порождают новое вращательное
движение Земли около оси, которое складывается с су-
точным движением, в результате земная ось очень мед-
ленно, примерно за 26 тыс. лет, описывает в пространстве
конус с вершиной в центре Земли. На небесной сфере это
выглядит как движение северного полюса мира вокруг
неподвижного полюса эклиптики (следовательно, а Малой
Медведицы обязанности Полярной звезды исполняет вре-
менно). В действительности явление значительно сложнее
этой схемы. Достаточно сказать, что полюс мира движется
вокруг полюса эклиптики не просто по малому кругу,
сферический радиус которого равен 23°27' (дополнение
До прямого угла наклона оси Земли к плоскости орбиты),
а по сложной кривой: на вековое прецессионное движение
25
накладывается периодическое (нутационное) движение,
фактически происходит не непрерывное прецессионное
движение земной оси, а колебательно-периодическое дви-
жение, в котором, например, выделяется 18,6-летний
период, соответствующий периоду вращения линии узлов
лунной орбиты.
Детальный анализ вращения Земли выявляет и ряд
других эффектов, существенных для практической астро-
номии, небесной механики и астродинамики. Например,
теоретическое рассмотрение вращения Земли как проис-
ходящего по инерции движения твердого тела около центра
масс объясняет движение полюсов Земли, а значит, и из-
менения географических широт. Небесная механика и,
в частности, гравитационная теория движения Луны,
много выиграла после открытия неравномерности враще-
ния Земли. Это открытие, сделанное в XIX в. Адамсом,
было уточнено, когда астрономы в XX в. научились
сравнивать время, получаемое из астрономических на-
блюдений, с независимым от него временем, определяе-
мым с помощью кварцевых, молекулярных и атомных
часов. Вековое замедление вращения Земли составляет
несколько менее 2 мс (миллисекунд) в столетие и вызвано
приливным трением, о котором нам в дальнейшем придется
говорить подробнее. Зафиксированы и сезонные колеба-
ния вращения Земли: например, в марте сутки примерно
на 2,5 мкс (микросекунды) длиннее, чем в июле (может быть
поэтому некоторые люди успевают зимой и весной сделать
больше, чем летом?). Определенную роль в сезонных
колебаниях, по-видимому, играет атмосферная циркуля-
ция. Наблюдаются и нерегулярные резкие изменения
угловой скорости вращения Земли. Их амплитуды дости-
гают нескольких тысячных долей секунды, а природа
пока неизвестна (предпринимались, например, попытки
связать этот эффект со вспышками на Солнце).
От проблем вращения и фигуры Земли неотделима
проблема гравитационного поля нашей планеты. Еще
в прошлом веке английский ученый Стокс доказал теоре-
му, суть которой сводится к следующему: если известна
угловая скорость вращения планеты и ее фигура, то на
поверхности планеты и в окружающем ее пространстве
может быть изучено гравитационное поле. В известной
мере эта теорема опирается на данные и на гипотезы
о внутреннем строении Земли. Такая опора не очень
26
надежна, и вполне понятно, что усилия теоретиков были
направлены на создание принципиально новых методов.
Ныне больших успехов достигла геодезическая грави-
метрия, в становление и развитие которой внесли большой
вклад советские ученые (А. А. Михайлов, Н. К. Мигаль,
до. С. Молоденский, 10. Д. Буланже и др.). Астрономо-
геодезические и гравиметрические измерения позволяют
по данным о силе тяжести в самых различных пунктах
определить фигуру поверхности Земли и ее внешнее гра-
витационное поле.
Вращение других тел солнечной системы исследовано
менее подробно, чем вращение Земли. Здесь особенно
важно накопление фактических данных о периодах вра-
щения планет, а также изучение фигур планет, Луны и
уточнение фигуры Солнца. Эти сведения очень важныз
с ними связаны не только представления о гравитацион-
ных полях небесных тел, но и гипотезы о их внутреннем
строении и природе их магнетизма.
У быстровращающихся планет более ощутимо и сжатие
и магнитное поле. Это согласуется с предположением о
том, что магнитное поле планет возникает вследствие ди-
намоэффекта в их расплавленных недрах. Некоторые осо-
бенности магнитных полей Земли и других планет (наи-
большая напряженность магнитного поля у самой быст-
ровращающейся планеты — Юпитера), возможно, свя-
заны с конвекцией, возникающей в ядрах планет и вызы-
вающей электрические токи в проводящем веществе.
Заканчивая обзор вопросов, относящихся к вращению
небесных тел, остановимся на некоторых любопытных яв-
лениях, которые обнаруживаются при сопоставлении по-
ступательного и вращательного движения планет и их
спутников. Из этих явлений наиболее известно синхрон-
ное вращение Луны и некоторых спутников Юпитера.
У этих небесных тел периоды вращения вокруг оси /вр
и обращения вокруг центрального тела /обр совпадают,
т- е. £вр = toep или ^врДобр = 1- Не менее интересны ре-
зонансные (или почти резонансные) эффекты, которые в
солнечной системе широко распространены и, возможно,
связаны с проблемой устойчивости. Последнее как раз и
утверждает гипотеза советского ученого А. М. Молчано-
ва, который в 1968 г. предположил, что стационарные ор-
биты небесных тел должны быть резонансными, и нашел
немало соизмеримостей в движении больших планет и не-
которых спутников. Так, четко прослеживается любо-
пытная особенность в движении Меркурия. Эта планета
делает оборот вокруг Солнца примерно за 88 земных суток,
а вокруг своей оси за 59 суток, что достаточно определен-
но указывает на резонансное соотношение £Вр/^обр « 2/3.
Если принять за единицу среднее суточное движение Юпи-
тера вокруг Солнца (сою = 1), то для Сатурна эта величи-
на будет (ос = 0,4027. Комбинируя эти величины, полу-
чим 2 (дю — 5 (ос = —0,0135, откуда легко получается
следующее резонансное соотношение: (ою/сос ж 5/2.
Еще пример. Когда Венера оказывается в нижнем сое-
динении, то она обращена к Земле одной и той же сто-
роной. Это означает, что вращение Венеры происходит
в резонансе не с орбитальным движением, а с ее движе-
нием относительно линии Солнце — Земля. Довольно про-
стой анализ показывает, что за время между нижними
соединениями (583,93 земных суток) Венера делает отно-
сительно этой линии 4 полных оборота, а относительно
линии Солнце — Венера — 5 оборотов.
Своеобразные резонансные явления обнаружены и в
структуре пояса астероидов. На их движение сильно
влияет притяжение Юпитера. Вероятно, этим и частично
воздействием Марса объясняется, что астероиды неравно-
мерно заполняют отведенное им пространство, скучи-
ваясь в одних местах и образуя почти пустые «люки» в
других.
Такую же гравитационную природу, по-видимому, имеют
знаменитые «сечения», наблюдаемые в кольцах Сатурна.
Но если это так, то резонансные орбиты бывают устойчи-
выми и неустойчивыми: первые наиболее предпочтитель-
ны для движения небесных тел, а вторых же небесные тела
при своем пространственном распределении стремятся
избегать. Отсюда идея квантования орбит в небесной ме-
ханике. Не исключено, что дальнейшее углубленное ис-
следование резонансных явлений в солнечной системе
приведет к принципиально важным обобщениям. На та-
кую возможность указывал советский ученый Н. Г. Че-
таев, по мнению которого устойчивость должна ка-
ким-то образом проявляться в основных законах при-
роды.
28
ДВИЖЕНИЕ ЛУНЫ
В истории открытия и утверждения закона всемирного тя-
готения особая роль принадлежит Луне. Она помогла
Ньютону установить тождественность силы тяжести и си-
лы тяготения. Падающее яблоко устремляется к Земле
под действием той же самой силы, которая, действуя во
всех направлениях и изменяясь обратно пропорциональ-
но квадрату расстояния от Земли, управляет движением
Луны. Сейчас в справедливости этого способен убедиться
любой школьник. Он, зная радиус Земли, среднее расстоя-
ние Луны от Земли и величину ускорения силы тяжести
у поверхности нашей планеты, вычислит ускорение Луны,
равное 0,27 см/с2, а затем, пользуясь формулами кине-
матики, найдет, что наблюдаемое значение центростреми-
тельного ускорения тоже 0,27 см/с2.
Итак, Луна находилась у колыбели закона всемирного
тяготения еще до его рождения. Она же помогла закону
тяготения сделать первые шаги к будущему триумфу:
теории движения Луны суждено было стать одним из пер-
вых тестов, призванных выяснить, точным или прибли-
женным является закон всемирного тяготения.
Луна совершает очень сложное движение в простран-
стве. Даже в первом приближении его нельзя рассматри-
вать в рамках задачи двух тел: Земля — Луна. Простой
расчет показывает, что ускорение, сообщаемое Луне
Солнцем, почти в 2,2 раза больше, чем ускорение, выз-
ванное притяжением Земли. Максимальная возмущающая
сила Солнца, равная разности сил притяжения Солнцем
Земли и Луны, только в 90 раз меньше силы, с которой
Земля притягивает своего естественного спутника. В ре-
зультате Солнце всего за трое суток изменяет положение
Луны на небосводе почти на 4", т. е. на столько же, на
сколько Юпитеру за 4 года удается изменить видимое
положение Сатурна.
Четыре угловых секунды... Многим ли читателям
при решении задач по физике и математике в средней (да
и высшей) школе приходилось иметь дело с величиной та-
кого рода и не чаще ли мы «из-за малости» спокойно пре-
небрегали значительно большими углами? Но в небесной
механике 4" — огромная величина! И это понятно.
В прошлом теория движения Луны имела большое значе-
ние для точного определения географической долготы ме-
29
ста корабля в открытом море. Сейчас от теории движения
Луны зависит успех предвычисления затмений, где необ-
ходимо знать положение Луны с точностью до 0,5", что-
бы вычислить наступление моментов солнечных затмений
с точностью до 1 с. Нужно добавить к этому, что исключи-
тельно жесткие требования к теории движения Луны
предъявляет космонавтика.
Вот почему только формально можно принять Землю
за «материальную точку» и, пренебрегая притяжением
Солнца, представить невозмущенную орбиту Луны в виде
кеплеровского эллипса, а потом учитывать различного ро-
да возмущения.
Ньютон первый получил важные результаты, показы-
вающие, что из открытого им закона не только вытекают
законы Кеплера, но и наблюдаемые в движении Луны
большие отклонения от этих законов. Ньютон, в частно-
сти, объяснил открытое Тихо Браге еще в 1582 г. неравен-
ство в долготе Луны. Это неравенство, известное под на-
званием вариации,— одно из главных, но, к сожалению,
далеко не единственное неравенство в долготе Луны.
В громоздких современных формулах вариации очень мно-
го членов, причем некоторые из этих членов были изве-
стны еще Гиппарху, Птолемею, Тихо Браге, Галилею.
Но возмущающее влияние Солнца изменяет не только
долготу Луны. За 8,85 года совершает полный оборот пе-
ригей лунной орбиты, причем на это равномерное движе-
ние накладываются периодические неравенства (самое >
большое из них 8°4Г). Кроме того, линия узлов лунной
орбиты, двигаясь попятно, совершает один оборот за
18,6 года. Не остаются постоянными эксцентриситет и '
наклон лунной орбиты. Эксцентриситет меняется в пре- i
делах от 0,0435 до 0,0715 (среднее значение 0,055), а нак- |
лон плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики —
от 4°59' до 5°17\ I
Солнце — главный, но не единственный возмутитель I
лунного движения. Весомый вклад в отклонение движе- 1
ния Луны от кеплеровского эллипса вносят несферич- |
ность Земли, несферичность самой Луны, прямое и косвен- |
ное влияние планет, а также некоторые другие эффекты. I
Современная теория движения Луны создавалась на
протяжении более двух веков усилиями многих гениаль-
ных ученых. Победы приходили не сразу, и те, кому они до-
ставались, нередко подчеркивали это в длинных и гор-
дых названиях своих произведений. Вот три примера!
«Теория Луны, выведенная только из одного принципа
притяжения, обратно пропорционального квадратам рас-
стояний» (Клеро, 1752); «Теория движения Луны, выяв-
ляющая все ее неравенства. В Прибавлении дается дру-
гая трактовка того же вопроса и показывается, каким об-
разом движение Луны со всеми ее бесчисленными нера-
венствами этим другим путем может быть представлено
и подчинено вычислениям» (Эйлер, 1753); «Теория движе-
ния Луны, трактованная новым методом, вместе с астро-
номическими таблицами, из которых положения Луны
для любого времени легко могут быть получены, создан-
ная под руководством Леонарда Эйлера неимоверным
усердием и неутомимыми трудами трех академиков:
И.-А. Эйлера, В. Л. Крафта, И.-А. Лекселя» (1772).
С теорией движения Луны связаны имена Лапласа,
Делоне (потратившего 20 лет жизни для получения в
1867 г. выражения неравенств до седьмого порядка).
В конце XIX и начале XX в. появились новые методы
в разработке теории движения Луны, отличные от тех,
в которых исходным считался невозмущенный кеплеров-
ский эллипс. Теория, созданная на основе работ амери-
канских ученых Хилла и Брауна, содержит формулы,
насчитывающие несколько сотен членов, пожалуй, са-
мые громоздкие в современном математическом естество-
знании. Эти формулы позволяют вычислить с очень боль-
шой точностью местоположение Луны. Точность вычис-
ления лунных эфемерид удалось еще более повысить,
когда вычисления стали выполняться с помощью быстро-
действующих электронных вычислительных машин, поз-
воляющих не только ускорить процесс вычисления, но и
усовершенствовать сами таблицы.
Почти все сказанное относилось к движению Луны по
орбите. А каковы же особенности вращения Луны?
С незапамятных времен люди знали, что к Земле об-
ращена одна и та же сторона Луны; во всяком случае, это
было известно задолго до того, как появились первые на-
учные представления о природе Луны и ее поверхности.
Первые телескопические наблюдения Галилея, выпол-
ненные в начале XVII в., конечно, включали в себя зари-
совки вида ее поверхности. Эти наблюдения, в частности,
привели к открытию следующего факта: земной наблю-
датель видит более половины лунного шара, почти 60%.
31
Чем же объясняются покачивания Луны, ее колеба-
ния относительно центра масс, известные под названием
либраций? Ответ на этот вопрос заставляет нас более под»
робно рассмотреть вращение Луны, три закона которого
сформулировал Кассини (1625—1712) в результате анали-
за многочисленных наблюдений. Согласно первому за-
кону, Луна имеет синхронное вращение: время полного
оборота Луны вокруг оси равно ее сидерическому месяцу,
т. е. периоду обращения вокруг Земли (по отношению
к звездам). Синхронное вращение происходит с запада
на восток, а значит совпадает с направлением вращения
Земли вокруг оси и Луны вокруг Земли. В результате
синхронного вращения с Земли видна всегда одна и та же
сторона Луны. Второй закон Кассини утверждает, что
угол наклона оси вращения Луны к плоскости эклиптики
постоянен и мало отличается от прямого. Согласно треть-
ему закону, полюсы лунного экватора, эклиптики и лун-
ной орбиты расположены на одном большом круге небес-
ной сферы, а значит, соответствующие плоскости (лун-
ного экватора, лунной орбиты и эклиптики) пересекают-
ся по одной и той же прямой («линия узлов»).
Какое же отношение имеют все эти факты к лунным
либрациям? Оптическая либрация по долготе возникает
из-за того, что равномерно вращающаяся вокруг оси Лу-
на движется неравномерно по эллиптической орбите во-
круг Земли. Другой вид оптической либрации (по ши-
роте) обусловлен тем, что, хотя угол наклона оси враще-
ния Луны к плоскости эклиптики близок к 90°, он не ра-
вен в точности прямому (отклонение составляет около
1,5°). Поэтому вследствие сохранения постоянства угла
наклона часть времени к Земле направлен северный полюс
Луны, а часть южный. Небольшой вклад в оптическую
либрацию вносит также и перемещение по отношению
к Луне наблюдателя, участвующего в суточном вращении
Земли.
По сравнению с оптической физическая либрация
сравнительно невелика. Она вызвана не геометрически-
ми причинами, а тем, что лунный шар действительно ко-
леблется. Эти истинные отклонения от законов Кассини,
которые можно обнаружить лишь с помощью специаль-
ных фотографических наблюдений, связаны со структурой
Луны и ее отличием от абсолютно твердого тела. Трудно
понять, как пришел Кассини к формулировке своих за-
32
конов, об этом мало что сообщает и сам Кассини, и про-
долживший дело отца его сын — Жак Кассини. Но хотя
физическая либрация не бросается в глаза, открытие ее
оказалось очень плодотворным: исследование физической
либрации представляет интерес и для получения данных
о моментах инерции Луны и для точного ее картографиро-
вания.
Эмпирические законы Кассини нашли детальное тео-
ретическое обоснование в трудах Ньютона, Даламбера
и Эйлера, Лагранжа и Лапласа, а затем в работах Дж.
Дарвина и многих других.
ПРИЛИВЫ И ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ—ЛУНА
Открытие всемирного тяготения прояснило природу оке-
анских приливов. Явление, столь привычное для жителей
побережья океанов или открытых морей, поражает вооб-
ражение тех, кто видит приливы и отливы впервые. Са-
мые грандиозные приливы происходят в канадском порту
Монктон, где разность уровней полной и малой воды дости-
гает 16 м. Им несколько уступают 13,5-метровые приливы
у берегов Бретани (Франция). Но и во время менее значи-
тельных приливов, таких, например, какие происходят
в устье р. Кулой, впадающей в Мезенский залив Белого
моря, приливные волны перемещают 14 млрд, м8 воды за
6 ч 12 мин, а ежесекундный расход оказывается в нес-
колько десятков раз больше среднегодового расхода Вол-
ги. На смену приливным мельницам, которые десятки ве-
ков назад приводились в движение энергией приливов,
уже пришли первые приливные электростанции.
Что же движет гигантскими массами воды? Какое от-
ношение к этому движению имеет всемирное тяготение?
Исчерпывающие ответы на эти вопросы пришли не сразу,
а среди первых, основанных на догадках, было немало
таких, которые упоминаются теперь разве только в очер-
ках по истории науки. Например, Декарт, увлеченный
своими вихревыми представлениями, пытался объяснить
приливы давлением, которое оказывают на океаны вихри,
сопровождающие движение Луны....
Основы современной статической теории приливов
созданы Ньютоном. Динамическая теория приливов свя-
зана прежде всего с именем Лапласа. Сегодня каждому
Е. П. Левитан 33
яспо, что не существует завесы таинственности, скри..
вающей причину могучего природного явления. Чтобы
убедиться в этом, достаточно сравнить ускорения, которые
приобретают под действием притяжения Луны точки зем-
ной поверхности, находящиеся в данный момент ближе
всего к Луне и дальше всего от нее, а также ускорение*
с которым движется к Луне центр Земли. Последнее*
очевидно, есть w = Gmfr*9 где т — масса Луны, г — рас-
стояние между центрами Земли и Луны. Ближайшие к
Луне точки земной поверхности имеют ускорения wt =
= GiriKj* — 7?)2, а наиболее отдаленные и?2 = Gm/(r
/?)2, где R — радиус Земли, которую в рамках наших
рассуждений вполне можно принять за шар. Приливы
зависят от — w и ш2 — w. Принимая, что R г
(хотя на самом деле Луна не так уж далека от Земли),
найдем, что wt — w ж 2GmRlrs и — w ж— %GmRh\
Одинаковость абсолютных величин и стоящие перед ними
противоположные знаки как раз и объясняют, почему
под действием притяжения Луны на Земле одновременно
образуются два горба.
Численное значение величины 2 GmR№ порядка 1(Н g
на первый взгляд кажется незначительным, но в масшта-
бах планеты ее влияние весьма ощутимо. Мы уже говори-
ли о приливных явлениях в океанах, а потому имеем пред-
ставление об энергетических последствиях этой добавки
к ускорению свободного падения.
Из других небесных тел наибольшее приливное воздей-
ствие на Землю оказывает Солнце* влияние которого, од-
нако, примерно в 2,2 раза меньше лунного. Когда же
лунные и солнечные приливы складываются, прилив-
ные эффекты на Земле оказываются самыми значитель-
ными.
Приливное воздействие испытывает не только гидро-
сфера и атмосфера Земли, ио и земная твердь, исследова-
ние деформаций которой позволяет получить существен-
ные сведения о внутреннем строении Земли. Земля у нас
под ногами колеблется е амплитудой, достигающей 40—
50 см, поднятия и опускания происходят дважды в сутки,
но мы их не замечаем, так как явление протекает медлен-
но и охватывает огромные территории. Гравиметры,
чувствительность которых порядка 10~1Q g, способны, ко-
нечно, непосредственно измерять приливные эффекты в
твердой Земле.
84
На рисунках, поясняющих возникновение приливных
горбов, их очень часто изображают симметрично относи-
тельно прямой, соединяющей центры Земли и Луны. На
самом деле это не так. Давно замечено, что приливы опаз-
дывают к моментам кульминации Луны. Величина запаз-
дывания мала в открытых океанах и велика в узких про-
ливах. Рельеф дна и другие местные условия определяют
и величину запаздывания и высоту приливов: в открытых
океанах амплитуда приливов составляет не метры, а лишь
десятки сантиметров.
Реально наблюдаемое запаздывание океанских прили-
вов и приливов в твердой Земле свидетельствует о том,
что приливные горбы отклонены от направления Земля —
Луна. Но в этом случае воздействие притяжения Луны
на приливные горбы должно приводить к появлению вра-
щательного момента. Точнее, даже двух (равных по ве-
личине и противоположных по направлению), ибо нужно
рассматривать оба приливных горба.
Появление этих вращательных моментов приводит
к ряду важных результатов для динамики системы Зем-
ля — Луна: замедляется вращение Земли, а Луна по
медленно раскручивающейся спирали удаляется от на-
шей планеты. Конечно, оба явления взаимосвязаны, так
как момент количества движения системы Земля — Лу-
на должен сохраняться. Не вся энергия, теряемая за-
медляющейся Землей, идет на приращение анергии дви-
жения Луны. Часть кинетической энергии вращения
Земли рассеивается, превращаясь в тепло. Это связано
с приливным трением, а оно происходит и в океанах
(прежде всего трение движущихся масс воды о дно мел-
ководных морей и появление приливных течений), и
в твердой Земле (трение в коре и мантии).
Из-за приливного трения большая полуось орбиты
Луны в нашу эпоху увеличивается в течение года на 3 см,
эксцентриситет орбиты уменьшается на 10-12 и угол на-
клона ее к плоскости эклиптики — на 10“8—
Ю’9 градуса. Это, в частности, означает, что в прошлом
Луна была значительно ближе к Земле, но тогда и при-
ливные эффекты, которые, как мы видим, весьма чувстви-
тельны к изменению расстояния, должны были быть зна-
чительно более ощутимыми.
Сто лет назад Дж. Дарвин, много занимавшийся про-
блемами приливной эволюции системы Земля — Луна,
2*
35
выдвинул гипотезу об отделении Луны от быстровращав-
шейся жидкой Земли. После доставки с Луны образцов
пород гипотеза Дарвина, против которой и ранее выдви-
гался ряд серьезных аргументов, потеряла почти всех
приверженцев.
Основанные на приливных изменениях расчеты прош-
лого и будущего системы Земля — Луна неоднократно
производились и после классических работ Дж. Дарвина.
Каковы их результаты? В прошлом, когда Луна находи-
лась от Земли на небольшом расстоянии, ее период обра-
щения составлял всего несколько часов. Сейчас Луна
движется вокруг Земли на среднем расстоянии, равном
60 радиусам нашей планеты, совершая один оборот вокруг
барицентра (центра масс системы Земля'— Луна) за
27,3 суток. Приливное воздействие Земли затормозило
вращение Луны, чем и объясняется наблюдаемое синхрон-
ное движение естественного спутника Земли. В будущем
(правда, весьма отдаленном) Луна, продолжая удаляться
от Земли (соответственно будет увеличиваться период об-
ращения), достигнет такого положения, при котором Лу-
на и Земля всегда будут обращены друг к другу одними
и теми же полушариями.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОСМОГОНИИ
Исходный и, пожалуй, конечный пункт построения ги-
потез о происхождении солнечной системы — открытые
в ней закономерности. Это значит, что космогонические
гипотезы, создаваемые на основе всей совокупности аст-
рономических, геофизических и геологических данных
о Земле и других планетах, призваны объяснить наблю-
даемые закономерности и, быть может, предсказать еще
неоткрытые. Наиболее важные астрономические и астро-
физические закономерности сводятся к следующему:
1. Орбиты планет располагаются вблизи плоскости,
почти совпадающей с плоскостью экватора Солнца. Не-
которое исключение — орбита Плутона, отстоящая почти
на 17° от плоскости эклиптики.
2. Орбиты большинства планет имеют малые эксцент-
риситеты и очень близки к окружности.
3. Направление обращения всех планет вокруг Солнца
одинаково и совпадает с направлением вращения Солнца.
36
4. Планеты (за исключением Венеры и Урана) имеют
прямое вращение, совпадающее с направлением их обра-
щения вокруг Солнца.
5. Расстояния планет от Солнца подчиняются законо-
мерности (правило Боде — Тициуса), которая может
быть представлена формулой
г = 0,3-2п + 0,4,
где г — среднее расстояние планеты от Солнца (в астро-
номических единицах), п = — оо для Меркурия, п = 0
для Венеры, п = 1 для Земли, п = 2 для Марса, п = 3
соответствует г = 2,8 а.е. и указывает место, занимаемое
ныне поясом астероидов, п = 4 для Юпитера и т. д.
6. Солнце, масса которого в 750 раз больше массы всех
планет, вместе взятых, обладает лишь 2% момента коли-
чества движения (98% приходится на долю планет).
Причем момент количества движения планет земной
группы примерно на 2,5 порядка меньше момента коли-
чества движения, которым обладает Юпитер.
7. По ряду физических свойств (размеры массы, сред-
ние плотности, химический состав), а также по числу спут-
ников планеты земной группы резко отличаются от пла-
нет-гигантов.
8. В системе спутников планет-гигантов (а каждая из
этих планет имеет по нескольку спутников) наблюдаются
закономерности, похожие на те, которые присущи всей
солнечной системе.
9. В движении планет и их спутников существует ряд
уже известных нам резонансных явлений.
Современный этап планетной космогонии в значитель-
ной степени связан с именем советского ученого академи-
ка О. Ю. Шмидта и его учеников (Б. Ю. Левин, В. С.
Сафронов и др.). В гипотезе школы Шмидта на новой ос-
нове возродилась идея Канта о происхождении сол-
нечной системы. Сейчас считается, что планеты возникли
в результате объединения твердых тел и частиц, образо-
вавшихся во вращающемся вокруг Солнца гигантском
протопланетном облаке, состоящем из газа и пыли.
«Холодная» (имевшая среднюю первоначальную темпе-
ратуру около 1000 К), а не огненно-жидкая Земля, могла
прийти в конечном итоге к наблюдаемым тектоническим
процессам. Впоследствии не только данные геофизики,
но и результаты исследования метеоритов, а затем и об-
37
разцов лунного грунта, укрепили эти позиции в планет*
ной космогонии.
Пока не существует однозначного ответа на вопрос,
откуда взялось протопланетное облако: было ли оно за*
хвачено Солнцем или образовалось вместе с ним. Шмидт
считал, что оно захвачено Солнцем при его движении
в Галактике. Высказанная 30 лет назад идея гравитацион-
ного захвата (в результате взаимодействия трех тел —
Солнца, центра Галактики и межзвездного облака) об-
суждалась многие годы. Эта дискуссия, обогатившая не-
бесную механику современным подходом и решением про-
блемы захвата в задаче трех тел, показала, что от идеи
захвата в упрощенной механической схеме нужно отказать-
ся. Не спасли идею захвата и различные варианты гипо-
тезы, в которых кроме гравитационного взаимодействия
делались интересные попытки учесть световое давление,
оказываемое Солнцем на частицы, влияние магнит-
ного поля Солнца и даже гравитационное влияние звезд,
находившихся вблизи молодого Солнца в момент его
встречи с межзвездным облаком.
Скорее всего Солнце и допланетное облако образова-
лись в каком-то совместном процессе, механизм которого,
однако, остается и по сей день предметом дискуссии. В ча-
стности, очень нелегко объяснить наблюдаемое распреде-
ление момента количества движения в солнечной системе
и ответить на вопрос, почему Солнце так медленно вра-
щается. Наибольшую популярность приобрели три ги-
потезы, предложенные в 60-х годах известными астрофизи-
ками Ф. Хойлом, А. Камероном и Э. Шацманом. Автор
каждой из этих гипотез акцентирует внимание на том или
ином физическом процессе (магнитное поле протопланет-
ного облака, тепловая конвекция в сжимающейся туман-
ности, выброс вещества из активных областей протосолн-
ца и т. д.), который, по его мнению, играл не менее важ-
ную роль, чем чисто механические явления.
Предстоит дальнейшая количественная и качественная
разработка проблемы происхождения протопланетного
облака. Если оно возникло в едином процессе с образова-
нием Солнца — типичной звезды Вселенной,— то позна-
ние этого процесса должно быть связано и с развитием
звездной космогонии. Но значит ли это, что тем самым на
неопределенный срок откладывается развитие планетной
космогонии? К счастью, нет. Шмидту принадлежит пло-
дотворная мысль о том, что на определенном этапе разви-
тия планетной космогонии образование и эволюцию пла-
нет можно и нужно рассматривать независимо от проис-
хождения протопланетного облака. При таком подходе,
конечно, необходимо исходить из некоторой более или ме-
нее вероятной модели протопланетного облака. Это зна-
чит, что приходится делать определенные допущения от-
носительно начальной массы протопланетного облака,
времени сжатия протосолнца, скорости эволюции обла-
ка и т. д.
В протопланетном облаке, оказавшемся в конце кон-
цов вокруг Солнца, наверняка возникли хаотические дви-
жения газовых и пылевых масс. Какой характер этих
движений, как их можно себе представить? Для дальней-
шей эволюции облака и, в частности, для понимания про-
цесса возникновения и развития планетных зародышей
нужно знать, были ли подобные движения неким откло-
нением от нормального состояния среды, некой временной
ее взволнованностью, или наоборот, в среде постепенно
установилась и затем как-то поддерживалась своеобраз-
ная «стационарная турбулентность». Вывод о существова-
нии турбулентности может быть сделан с помощью числа
Рейнольдса, давно успешно применяемого в гидро-
и аэродинамике.
Напомним, что число (или, как говорят, критерий)
Рейнольдса Re используется в случаях, когда требуется
охарактеризовать тип течения вязкой жидкости или тип
движения тел в среде. Число Рейнольдса — безразмерная,
скалярная комбинация параметров среды: плотности р
и вязкости 1), а также параметров тела — характерного
линейного размера I и скорости v. Re = pvZ/т] имеет соот-
ветствующие значения при ламинарном и турбулентном
течении. Строго говоря, критерий Рейнольдса имеет опре-
деляющее значение для решения вопроса об устойчивости
невращающихся систем. Допланетиое облако должно было
вращаться вокруг Солнца. Поэтому применение к~ нему
числа Рейнольдса хотя и не решает проблему устойчиво-
сти движения, но дает представление об общих свойствах
движения вещества в диффузной среде допланетного об-
лака.
Так вот, в диффузной космической среде число Рей-
нольдса столь велико (порядка 10х0), что, основываясь на
нем, Вейцзекер еще в 1944 г. выдвинул вихревую пто-
зе
тезу, согласно которой в протопланетном облаке существо-
вала упорядоченная система вихрей, имевшая важное зна-
чение для рождающейся в облаке планетной системы.
Вейцзекер думал, что энергия вихревого движения по-
полняется за счет приближения внутренних, взаимодейст-
вующих между собой слоев облака к Солнцу. Но расчеты
не подтвердили такое допущение: выделявшейся гравита-
ционной энергии не хватало для поддержания вихревого
движения. Нехватка энергии привела к его затуханию и
разделению пылевой и газовой составляющей допланет-
ного облака. Пыль расположилась тонким слоем вблизи
центральной плоскости облака. Такой слой гравитацион-
но неустойчив. Поэтому он распался на множество сгуст-
ков, превратившихся в рой твердых тел. Сначала это
были тела сравнительно небольшие по размерам и массам,
двигавшиеся по орбитам, близким к круговым. Но по мере
роста тел увеличивалось их взаимное притяжение, возра-
стали относительные скорости, вытягивались, становясь
эллиптическими, орбиты. В процессе многочисленных не-
упругих столкновений и объединений (слипаний) из твер-
дых тел возникали зародыши планет.
Массы зародышей резко отличались от масс других
тел, находившихся вблизи них и образовавших для за-
родышей своего рода зону питания. Сначала было очень
много таких зародышей и окружавших их зон питания.
Но постепенно среди этого множества стали выделяться
те, которым впоследствии предстояло стать планетами.
Такие массивные и двигавшиеся почти по круговым орби-
там «сверхзародыши» получались путем объединения ра-
нее возникших зародышей и обобществления их зон пи-
тания.
Гравитационное взаимодействие было определяющим
фактором и в процессе аккумуляции будущих планет, и в
появлении удивляющего нас и поныне закона планетных
расстояний. Можно (это неоднократно делалось и, к со-
жалению, делается и поныне) различными эмпирическими
формулами выразить этот закон. Но значительно важнее
было получить его, исходя из общей теории происхожде-
ния планет. Именно это и удалось сделать О. Ю. Шмидту
и его ученикам. В гипотезе школы Шмидта закон планет-
ных расстояний как бы рождается вместе с самими пла-
нетами. Дело в том, что уменьшение числа зародышей и
появление сверхзародышей происходило до тех пор, по-
40
на возникающие крупные и массивные тела оказались на
таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло
уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные рас-
стояния как раз и стали залогом устойчивости будущей
солнечной системы. Предполагается, что и формирование
спутников планет в общих чертах было сходно с образо-
ванием самих планет.
Планетам земной группы и планетам-гигантам понадо-
билось неодинаковое время для аккумуляции. Например,
по оценке В. С. Сафронова, наша планета выросла всего
за 100 млн. лет. А вот планеты-гиганты росли дольше,
потому что их формирование осложнялось разнообраз-
ными обстоятельствами, которых избежали планеты типа
Земли. Обстоятельства эти имеют механическую приро-
ду. Например, происходило наложение зон питания, т. е.
появление объединенных зон протоюпитера и протосатур-
на, а затем и других будущих планет-гигантов. По мере
роста массы протоюпитера тела из его зоны питания нача-
ли долетать до протосатурна, а затем (это, как показывают
расчеты, случилось через 150 млн. лет после начала фор-
мирования больших планет) и до самых внешних областей
нынешней планетной системы, а также до орбиты уже
сформировавшегося Марса.
На определенной стадии роста будущие большие пла-
неты, особенно Юпитер, не только «простреливали» те-
лами из своих зон питания солнечную систему, но, сооб-
щая телам скорости, близкие к параболическим, даже вы-
брасывали их за пределы планетной системы.
Одним из результатов игры в этот космический билли-
ард могло стать рождение облака комет. Масса такого
облака могла достичь половины суммарной массы планет-
гигантов. Может быть, и в самом деле оттуда берутся
ежегодно появляющиеся вблизи Солнца «хвостатые звез-
ды»? Еще в начале 50-х годов известный голландский аст-
роном Ян Оорт предположил, что «хранилищем» комет
является кометное облако, опоясывающее солнечную си-
стему на огромном расстоянии от Солнца. По мнению
Оорта, время от времени тела, входящие в состав этого
облака, приближаются к Солнцу и некоторые из них на
небольших расстояниях от Солнца обзаводятся хвостами,
иногда очень большими и поразительно красивыми, а ча-
ще (как это случилось с широко разрекламированной ко-
метой Когоутека) — не очень эффектными.
41
Но что все-таки могло удержать в солнечной системе
тела, выстреленные из зон питания больших планет?
Скорее всего, то же, что заставляет некоторые из этих тел
покидать кометное облако и отправляться в длительное
путешествие к Солнцу. В обоих случаях ощутимое влия-
ние могло оказать притяжение ближайших к Солнцу
звезд. Мы знаем, что возмущениями, источником которых
являются самые близкие к нам звезды, можно вполне пре-
небречь, рассматривая движение планет. Но влияние тя-
готения звезд может быть ощутимым для тел, оказавших-
ся удаленными от Солнца на расстояния, в 100—150 тыс.
раз превышающие расстояния Земли от Солнца, и соизме-
римые с расстояниями до ближайших звезд.
Наконец, еще одно явление приходится учитывать при
рассмотрении роста «сверхзародышей» будущих гигант-
ских планет. Это аккреция (захват) ими газа, образующе-
го вторую составляющую допланетного облака и посте-
пенно собравшегося за пределами орбит планет земной
группы. Газ в зонах питания Юпитера и Сатурна вначале
тормозил движущиеся тела, уменьшая их относительные
скорости и тем самым задерживая рост зародышей. Но
когда зародыши выросли настолько, что могли увеличи- ;
вать свою массу за счет аккреции газа (преимущественно
водорода), их рост ускорился. Некоторая часть газа, вхо- \
дившая в допланетное облако, не вошла в состав планет *
и покинула солнечную систему. I
Механические явления (движение тел, их гравита-
ционное взаимодействие и т. д.) стали причиной и многих •
других особенностей, наблюдаемых в солнечной системе.
Это относится и к общему устройству солнечной системы, |
и к индивидуальным свойствам планет. Ограничимся |
несколькими примерами. |
Согласно правилу Боде — Тициуса, в солнечной систе-1
ме должна быть планета между орбитами Марса и Юпите-1
ра. Такой планеты нет, но пространство, отведенное этой#
планете, не пусто: его занимает обширный пояс астерои-|
дов. Вероятно, не менее ста тысяч малых планет входит!
в пояс астероидов, хотя занести в каталоги пока удалось!
около 1800. Пояс астероидов весьма протяжен и поэтому!
направленным в сторону Юпитера космическим кораблям!
«Пионер-10» и «Пионер-11» пришлось несколько недель!
форсировать эту зону солнечной системы. Когда-нибудь!
астероиды станут играть существенную роль в освоении!
42 j
далеких окраин нашей планетной системы, а может быть,
и в пока еще кажущихся фантастическими межзвездных
полетах. Для разных целей при решении этих задач мо-
гут оказаться полезными и самые большие из астероидов
0 такие бесформенные глыбы, размеры которых едва пре-
вышают километр. А пока чрезвычайно интересно выяс-
нить, каково происхождение астероидов: представляют
ли они обломки существовавшей в прошлом большой ги-
потетической планеты, для которой придумано даже имя —
фаэтон, или это реликтовые представители эпохи форми-
рования солнечной системы. В последние десятилетия про-
тив первой точки зрения были выдвинуты очень веские
возражения. Они основаны и на анализе физики форми-
рования планет, и на факте существования отдельных
групп астероидов, необъяснимого с точки зрения гибели
фаэтона, и на глубоком изучении метеоритов, скорее всего
являющихся пришельцами из пояса астероидов.
Вторая точка зрения получила серьезное развитие
в рамках гипотезы Шмидта и его последователей. Эта ги-
потеза в какой-то степени тоже предусматривает сущест-
вование астероидов: нечто подобное поясу астероидов
должно было возникнуть как раз между орбитами Марса
и Юпитера, т. е. в пограничной области между планета-
ми земной группы и планетами-гигантами. Гигантский
сверхзародыш будущего Юпитера обстреливал телами,
выбрасываемыми из его зоны питания, и ту область, ко-
торую занимают нынешние астероиды. Юпитерианские
снаряды сталкивались с телами, которые, если бы им не
мешали, могли образовать свой сверхзародыш и породить
Фаэтон. Но помехи были слишком значительны, а своего
«защитника» вроде сверхзародыша Сатурна здесь не было.
Поэтому многие из аборигенов зоны астероидов были про-
сто изгнаны, а оставшиеся приобрели дополнительную
энергию, увеличивая свои относительные скорости дви-
жения, и при столкновении стали не объединяться, а дро-
биться. В таких условиях планета аккумулироваться
не могла, и процесс остановился на стадии малых планет,
вращающихся вокруг осей и в большинстве имеющих не-
правильную форму.
Юпитер, оказавшийся основным виновником сущест-
вования пояса малых планет, сумел навести в этом поясе
порядок, определенным образом сгруппировав орбиты
астероидов. Казалось, что мешает астероидам двигаться
43
ч|
ы
внутри пояса по любым орбитам? Но ведь этого на самом
деле нет. Вспомните о резонансах, о которых уже упоми-
налось выше. Наблюдения показывают, что наибольшее
число астероидов находится на расстоянии 3, 3,1 и 4 а.е.
от Солнца, и в то же время в других местах пояса их явно
не хватает.
Например, в поясе астероидов недостает малых пла-
нет, которые могли бы обращаться вокруг Солнца с пе-
риодом 5,95, 4,76 и 3,97 года. Знаменательно, что эти
периоды точно составляют 1/2, 2/5 и 1/3 периода обраще-
ния Юпитера вокруг Солнца. Подобный резонанс периодов
обнаружен и для тех астероидов, которые могли бы иметь
периоды обращения, тоже составляющие простые дроби
(1/4, 1/5, 3/5 и 3/7) от юпитерианского года. Исследование
этого феномена, представляющего большой интерес для
небесной механики, показало, что возмущения, вызывае-
мые Юпитером, должны были сделать неустойчивыми ор-
биты недостающих малых планет.
Таким образом, в представлениях о происхождении ас-
тероидов механические явления играли очень большую,
скорее всего, решающую роль.
Но обратимся снова к планетам. Чем объяснить на-
правление их движения вокруг Солнца и вращения вокруг
осей? Почему оси планет имеют различные наклоны:
у Меркурия, Венеры и Юпитера угол наклона близок
к прямому, у Земли и Марса —65—66,5°, а Уран вообще
вращается «лежа на боку»? Ответы на эти вопросы пыта-
лись дать авторы различных космогонических гипотез.
Не останавливаясь на истории, заметим, что ответы на
эти вопросы дает в настоящее время небесная механика,
основываясь на общей гипотезе аккумуляции планет из
твердых тел. Развивая и конкретизируя идеи О. Ю. Шмид-
та, советские ученые (В. В. Радзиевский, А. В. Артемьев,
В. С. Сафронов и другие) получили немало интересных
результатов, проясняющих проблему вращения планет.
Обращение и вращение планет рассматривается сей-
час как следствие процесса роста протон л анетных тел.
Тела и частицы, падая на формирующуюся планету (а
это есть ограниченная задача трех тел — Солнце, плане-
та, тело или частица), передавали ей имеющееся у них
количество движения. Как именно будет вращаться та
или иная планета, зависело от среднего результата мно-
жества падений.
44
Преобладающее в солнечной системе прямое движение
отражает характер общего вращения тел и частиц, дви-
гавшихся вокруг Солнца еще до возникновения планет.
В статистическом процессе усреднения моментов количе-
ства движения отдельных тел и частиц могли появляться
и аномальные результаты, которыми в принципе можно
объяснить обратное вращение Венеры и некоторые дру-
гие явления в солнечной системе.
Крупные тела, падавшие на зародыши, обусловили
и наклоны осей будущих планет. В. С. Сафронову удалось
по наблюдаемым наклонам осей планет оценить массы
этих тел. Оказалось, что, например, массы наибольших
тел, участвовавших в формировании Земли, лишь в ты-
сячу раз меньше нынешней массы нашей планеты. А тела,
падение которых определило расположение в простран-
стве оси Урана, были сравнимы по массе с массой Земли.
Необходимо подчеркнуть, что физика планетной кос-
могонии далеко не исчерпывается механикой. Хитро-
сплетение различных сложных физических процессов
(тепловых, магнитогидродинамических и др.) сопровож-
дало все стадии возникновения и эволюции планет сол-
нечной системы и их спутников. И только подчиняясь теме
первой главы книги, мы намеренно заостряли внимание
на механических явлениях. Конечно, не все эти явления
упомянуты в кратком очерке. Например, крупные по мас-
сам и размерам тела, падая на относительно холодную
Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу пла-
нету до температуры свыше 1500 К в области верхней ман-
тии. Такой разогрев оказывается сильнее, чем это могло
произойти за счет энергии других механических (грави-
тационное сжатие, приливное воздействие молодой Луны)
и немеханических процессов (распад радиоактивных эле-
ментов). Геофизики и геологи, конечно, добавили бы к
этому, что механические явления играли и продолжают
играть существенную роль в формировании основных
оболочек Земли и рельефа нашей планеты.
УСТОЙЧИВА ЛИ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА?
Познав законы и закономерности солнечной системы, мы
получаем верное представление о ее общем строении. Гар-
мония и порядок в движении и расположении планет и их
спутников, являясь источником огромного эстетического
45
удовлетворения, поражают каждого, кто приобщается
к теперь уже раскрытым тайнам строения солнечной си-
стемы. Но сколь долговечно то, чем мы восхищаемся се-
годня? Как долго сохранятся без существенных изме-
нений возникшие в прошлом и наблюдаемые ныне струк-
тура и конфигурация солнечной системы с характерным
для нее расположением планет вблизи плоскости эклип-
тики и с движением планет по орбитам, близким к окруж-
ностям, в одном и том же направлении вокруг Солнца?
Проблема устойчивости солнечной системы очень
сложна и строгое решение ее выходит за рамки небесной
механики, ибо судьба солнечной системы в конечном сче-
те связана не только с силами тяготения, но и различными
негравитационными эффектами и явлениями. Кроме того,
обращаясь к необозримо большим временном отрезкам,
нельзя пренебрегать возможностью влияния внешних
факторов: ведь в своем вечном скитании солнечная систе-
ма может встретиться и с довольно плотными межзвезд-
ными облаками и неосторожно сблизиться с какой-ни-
будь звездой...
В такой общей постановке проблема устойчивости
солнечной системы еще далека от разрешения. Но выводы,
исключительно важные для практической деятельности
человечества, в рамках классической небесной механики
уже получены. На помощь аналитическим и численным ме-
тодам приходят качественные методы небесной механики,
создание и разработка которых связаны с именами А. Пу-
анкаре, А. М. Ляпунова, А. Н. Колмогорова, В. И. Ар-
нольда. Качественные методы не позволяют определить
точные координаты той или иной планеты в заданный мо-
мент времени, но благодаря им удается изучить особен-
ности эволюции основных параметров орбит планет, а
именно это и нужно для решения вопроса об устойчиво-
сти солнечной системы.
Небесная механика в свое время явилась одним из са-
мых мощных стимулов развития теории дифференциаль-
ных уравнений, к определенным видам систем которых
в конце концов сводится любая небесномеханическая за-
дача. Но что значит решить такого рода задачу? Мы ви-
дели, что в классическом понимании лишь в самых про-
стейших случаях удается решить дифференциальные
уравнения, т. е. выразить общий интеграл через элемен-
тарные функции. Неразрешимость общей задачи привела
46
к появлению численных методов интегрирования диффе-
ренциальных уравнений. Они позволяют для каждой конк-
ретной задачи получить числовой ответ путем громоздких
вычислений, выполняемых с помощью ЭВМ.
Численные методы, как и получившие большое прак-
тическое применение приближенные методы, оказались
чрезвычайно важными для многих прикладных задач,
но они не могли стать ни основой общей теории дифферен-
циальных уравнений, ни основой для решения космого-
нических задач небесной механики. Это побудило теоре-
тиков в 80-х годах XIX в. обратиться к разработке
качественных методов решения дифференциальных урав-
нений, которым и суждено было стать основой нового раз-
дела небесной механики — качественной небесной ме-
ханики.
В рамках качественной небесной механики удалось
найти критерии, позволяющие решить вопрос об устой-
чивости того или иного типа движения. Проблема устой-
чивости орбит планет решается в первом приближении зна-
менитой теоремой Лапласа. Лаплас рассматривал некото-
рую модель планетной системы, считая, что движение пла-
нет происходит в одну сторону, массы планет одного
порядка, большие полуоси орбит мало изменяются со
временем, а происходящие изменения имеют характер
медленных колебаний в ограниченных пределах, эксцентри-
ситеты и наклоны орбит малй. Как видно, свойства, при-
писываемые этой модели, действительно в первом прибли-
жении отражают известные нам общие свойства реальной
планетной системы.
Так вот, Лаплас доказал, что подобная гипотетиче-
ская планетная система весьма устойчива: ее общее уст-
ройство будет всегда оставаться неизменным.
Уже в наше время советским математикам удалось
продвинуться дальше и доказать, что для большинства
начальных условий движения планет можно в определен-
ном смысле считать устойчивыми не только в первом, но
и в любом приближении. Согласно В. И. Арнольду (1961),
теорема Лапласа верна на бесконечном интервале времени
при условиях, достаточно хорошо выполняемых в сол-
нечной системе; большие полуоси планетных орбит не
будут изменяться. Казалось бы, хорошо известен пример,
противоречащий сказанному: спутники Урана, т. е. пла-
неты, ось вращения которой почти совпадает с плоско-
43
стью орбиты, почему-то все-таки не падают на него. Но
оказывается, в данном случае спутники держатся на своих
орбитах»., благодаря возмущениям от весьма ощутимой
несферичности этой планеты — сжатие Урана составляет
примерно 1/40.
Таким образом, с вероятностью, близкой к единице,
можно считать, что в формулах для больших полуосей
планетных орбит отсутствуют вековые члены, т. е. выра-
жения, содержащие в качестве сомножителя время (в пер-
вой или более высокой степени).
Реальная солнечная система, содержащая не только .
планеты (причем, строго говоря, массы планет не остают-
ся неизменными), но также астероиды и кометы, значи-
тельно сложнее рассматриваемой модели. Поэтому мы
пока не знаем, существуют ли в действительности вековые
возмущения в выражениях для больших полуосей орбит и
для других элементов планетных орбит. Если даже верно
то, что тропический год, равный 31 556925,9747 с, увели-
чивается ежегодно на 10”4 с, то за ближайшие 10 млрд,
лет земная орбита существенно не изменится. И хотя мы
не можем сейчас точно указать промежуток времени с га-
рантированной устойчивостью солнечной системы, не-
бесная механика дает весьма обнадеживающие прогнозы
грядущего благополучия движений небесных тел в ней.
ОТ НЬЮТОНА К ЭЙНШТЕЙНУ
Путь закона всемирного тяготения к триумфу не был
прост и легок. В процессе создания теории движения Лу-
ны и планет неоднократно возникали существенные труд-
ности, а преодолеть их пытались путем «уточнения» зако-
на всемирного тяготения. Так, например, Клеро, который
в 1752 г. опубликовал свою теорию движения Луны, пятью
годами раньше высказывал серьезные сомнения относи-
тельно точности закона всемирного тяготения и предла-
гал видоизменить выражение для напряженности — коли-
чественной характеристики поля тяготения. Однако, как
мы уже знаем, эти поправки не понадобились.
К мысли о неточности закона всемирного тяготения
возвращались и в начале XX в., когда, во-первых, обост-
рился интерес к общим проблемам мироздания и, во-вто-
рых, нужно было объяснить невязки, свидетельствующие
48
о вековом движении перигелия ближайших к Солнцу пла-
нет. Последнее прежде всего относилось к Меркурию.
Еще Леверье знал, что даже при тщательном учете
возмущений со стороны других планет остается необъяс-
ненным расхождение между теорией и наблюдениями: тео-
рия не может дать ответ на вопрос, почему перигелий ор-
биты Меркурия смещается на определенную величину,
составляющую по современным данным около 43* в 100
лет. Последовательно рассматривались и отвергались раз-
личные гипотезы, авторы которых видели причину непо-
слушного поведения Меркурия в существовании между
Солнцем и Меркурием неизвестной планеты или в суще-
ствовании пояса астероидов между Меркурием и Вене-
рой, или обвиняли в этом весьма разреженную межпла-
нетную материю, наблюдаемую в виде зодиакального света.
Но когда в силу бездоказательности всех этих предпо-
ложений пришлось от них отказаться, вновь занялись
«усовершенствованием» закона всемирного тяготения, за-
писывая его в виде
ю Отмпг
* = г2,000 ООО 162 ?
т. е. слегка усиливая зависимость F от г. Наряду с этим
новым законом (закон Холла) предлагалось вводить в за-
кон Ньютона некий поправочный коэффициент. Если обоз-
начить его через а, то получится следующая формула за-
кона всемирного тяготения:
F = oGmima/r2
где о = g—о,ооооооз81* (здесь г измеряется в астрономических
единицах).
Но читатель хорошо знает, что такие законы всемир-
ного тяготения «мы в школе не проходили». В чем же де-
ло? Может быть, ученые решили не обращать внимания на
небесномеханические «мелочи»? Нет, согласиться с таким
решением проблемы было невозможно. К тому же приме-
нение закона всемирного тяготения встречалось с некото-
рыми странностями и тогда, когда рассматривались мас-
штабы, далеко превосходящие масштабы солнечной систе-
мы. Речь идет о знаменитом парадоксе, с которым впервые
сто лет назад столкнулся Нейман, а несколько позднее —
оеелигер.
49
Парадокс возникает при попытке вычислить силу тяго^
тения, с которой масса всей бесконечной Вселенной дей-
ствует на пробное тело. Полагая, что звезд во Вселенной
бесконечно много и что они почти равномерно распределе-
ны в пространстве (число их растет пропорционально ку-
бу расстояния), можно доказать, что сила всемирного тя-
готения в каждой точке пространства бесконечно велика.
Так как ничего подобного на самом деле не наблюдается^
приходится искать объяснение парадокса. Зеелигер счи-
тал, что нужно заменить обычную формулу закона Ньюто-
на на одну из приведенных выше формул. Между тем и
парадокс Зеелигера, и странности в движении близких
к Солнцу планет были сигналом того, что наука в своем
развитии приблизилась к анализу таких явлений, в кото-
рых бессилен величайший из законов небесной механи-
ки — ньютоновский закон всемирного тяготения. Выход
из подобной ситуации оказался не в уточнении фундамен-
тального закона классической физики, а в создании новой
физики, которую история науки навсегда связала с име-
нем А. Эйнштейна (1879—1955).
Длительное время созданная Эйнштейном теория была
достоянием лишь отдельных лиц, круг которых медленно
расширялся. Сейчас положение совсем иное. Многие де-
сятки очень хороших научно-популярных книг позволяют
каждому желающему понять сущность теории относи-
тельности. Более того: основы специальной теории отно-
сительности включены в школьный курс физики. Если
учесть, что в нашей стране завершается переход ко все-
общему среднему образованию, то все выпускники сред-
ней школы будут знать, как возникло новое учение о про-
странстве и времени, в чем заключаются постулаты
теории относительности, понимать физический смысл отно-
сительности расстояний и промежутков времени, знать ре-
лятивистский закон сложения скоростей, зависимость
массы от скорости и знаменитый закон взаимосвязи мас-
сы и энергии (Е = тс2). Вероятно, недалеко то время,
когда длинные «эйнштейновские поезда», мчащиеся с суб-
световой скоростью относительно стоящего на платформе
наблюдателя, станут такими же своеобразными эмблема-
ми школьной физики, какими многие годы были в школь-
ной математике водопроводные трубы, наполняющие и
опорожняющие бассейны. Приобщение самых широких
масс к основам теории относительности есть своеобразный
50
показатель очень большой роли этой теории в современ-
ной науке, технике и в формировании научного мировоз-
зрения.
Ядерная энергетика — одно из самых внушительных
подтверждений справедливости специальной теории отно-
сительности, которая основывается на, казалось бы, та-
ких абстрактных постулатах, как постоянство скорости
света (скорость света в вакууме не зависит от скорости ис-
точника и одинакова по всем направлениям), и на обоб-
щенном принципе относительности, утверждающем, что
во всех инерциальных системах физические законы имеют
одинаковую форму. Именно понятие о специальной теории
относительности (СТО) излагается сейчас в школьных
учебниках. Но эта, теперь уже хорошо апробированная
область физики пока еще не имеет существенного значе-
ния для небесной механики, которую гораздо больше заин-
тересовала общая теория относительности (ОТО). Основы
ОТО Эйнштейн сформулировал всего через 10 лет после
создания СТО. Статья Эйнштейна «Основы общей теории
относительности» была опубликована в 1916 г. В отличие
от СТО, открытие которой было подготовлено всем ходом
развития классической физики, ОТО целиком рождена
гением Эйнштейна. Логика, или, если хотите, нелогич-
ность науки, проявилась в том, что ОТО, замечательно ох-
ватив многие совершенно различные явления природы,
входящие в компетенцию небесной механики, астрофизики
и космологии, до сих пор еще не имеет достаточно надеж-
ного фундамента, имя которому эксперимент.
Поскольку релятивистская небесная механика связа-
на с ОТО, напомним ее основные положения. Известно,
что СТО возникла как результат разрешения противоре-
чия между классической физикой Ньютона и новой
электродинамикой. К общей теории относительности
Эйнштейн пришел, исходя из уже созданной СТО и прин-
ципа равенства гравитационной и инертной массы. Вспом-
ните, как вы в кино или на экране телевизоров любова-
лись невесомостью, которую демонстрировали космонав-
ты, находящиеся в кабине орбитального космического
корабля. Как возникло необычное состояние невесомости?
В пределах кабины космического корабля тяготение оди-
наково. Оно сообщает одинаковые ускорения всем пред-
метам, находящимся в кабине, ведь ускорение свободного
падения, как это было известно еще Галилею, не зависит
51
от массы и других свойств .падающего тела. Движение
свободно падающих предметов в кабине орбитального кос-
мического аппарата неотличимо от свободного движения,
.которое обычно реализуется в отсутствие внешних воздей-
ствий и происходит равномерно и прямолинейно.
Кабина космического корабля, где господствует неве-
сомость,— пример почти инерциальной системы (строго
говоря, относительные ускорения существуют даже в пре-
делах кабины). Но, когда включаются двигатели косми-
ческого корабля, все предметы, находящиеся в нем, начи-
нают двигаться ускоренно и перестают быть невесомыми.
Другими словами: ускоренное движение и сила тяготения
как бы создают один и тот же эффект. В этом заключается
суть принципа эквивалентности, согласно которому оди-
наково протекают все физические процессы в инерциальной
системе, находящейся в однородном поле тяготения, и в
равномерно-ускоренной неинерциальной системе.
На уроках физики все мы когда-то убеждались в том,
что сила тяготения сообщает одинаковые ускорения и
легкому перышку, и свинцовому шарику. Нам объясняли,
что это так и должно быть. Действительно, по закону все-
мирного тяготения
F = GMm/r\
где Мит — соответственно масса Земли и масса данного
тела, а г — радиус Земли. Но по второму закону динами-
ки сила тяготения должна сообщать телу ускорение а,
которое может быть найдено из формулы F = та. В обоих
случаях речь идет об одной и той же силе, поэтому
GMmlr2 = та.
Отсюда а = g = GM/r\ т. е. g не зависит от т. Но под
буквой тп, от которой мы так лихо избавились, в обеих
частях равенства GMm/r* = та скрываются разные физи-
ческие величины: в законе тяготения т — гравитацион-
ная масса, в законе динамики т — инертная масса. Гру-
бые опыты наглядно свидетельствуют о том, что обе массы
равны. А что говорят точные эксперименты? В 1912 г.
венгерский физик Этвеш экспериментально доказал, что
равенство гравитационной и инертной масс соблюдается
до восьмого знака. Почти через 60 лет советский физик
В. Б. Брагинский проверил принцип относительности до
двенадцатого знака. Вероятно, и это не предел, хотя, ка-
52
залось бы, абсолютное совпадение инерционной и грави-
тационной масс доказано. Совпадение? Нет, скорее речь
идет о фундаментальном законе природы, который как
простой опытный факт был известен давно, а на пьедестал
закона природы был поднят гением Эйнштейна.
Эйнштейн указал три эффекта, которые могли подтвер-
дить ОТО: отклонение лучей света звезд в поле тяготения
Солнца, гравитационное красное смещение спектральных
линий и, наконец, смещение перигелия Меркурия. Каким
образом оказался здесь интересующий нас небесномеха-
нический эффект, мы увидим дальше. Пока же приведем
самые общие данные об экспериментальной проверке
ОТО.
Можно сказать, что даже для гравитационных полей,
сравнимых, например, с полем, существующим на поверх-
ности Солнца, теория проверена с точностью до несколь-
ких процентов. Это означает, что предсказанные Эйнштей-
ном эффекты наблюдаются, но их количественные харак-
теристики не совсем совпадают с теорией. В случае разных
эффектов достигнута различная точность: 1% в случае
гравитационного смещения частоты и почти 10% в случае
отклонения вблизи Солнца лучей света звезд и радиоволн
от квазаров. Забегая вперед, скажем, что с точностью око-
ло 1 % ОТО подтверждается в движении перигелия Мер-
курия. Добавим к этому, что поиски новых эксперименталь-
ных подтверждений ведутся очень активно. В результате
удалось в лабораторных условиях наблюдать измене-
ние частоты квантов света в зависимости от величины гра-
витационного поля (эффект Мессбауэра), зафиксировано
релятивистское запаздывание сигналов вблизи Солнца
при радиолокации планет (эксперименты Шапиро и дру-
гих исследователей), несколько лет назад впервые наблю-
далось также релятивистское запаздывание радиосигна-
лов, посланных космическими кораблями («Маринер-VI»
и «Маринер-VIII»), во время прохождения этих сигналов
вблизи Солнца. Наконец, интенсивно ведутся поиски пред-
сказанных Эйнштейном гравитационных волн.
Интерес небесной механики к ОТО очень велик, ибо
она представляет собой важнейший шаг на пути познания
природы тяготения. Подобно тому, как звезды успешно
служили людям, хотя их природа на протяжении многих
веков оставалась загадкой, тяготение, оставаясь загадоч-
ным, позволило успешно объяснить множество разнооб-
53
разных небесномеханических явлений. Классическая не-
бесная механика, естественно, основана на классической
ньютоновской механике с ее абсолютным временем, кото-
рое не зависит ни от наличия или отсутствия материаль-
ных тел, ни от их взаимного расположения и движения.
Гравитация в механике Ньютона действует на расстоянии
и таинственным образом мгновенно передается от одного
взаимодействующего тела к другому. Геометрия прост-
ранства, являющегося простым вместилищем материаль-
ных тел, эвклидова. В таком пространстве прямолинейно
перемещаются тела в своем свободном движении, по пря-
мой распространяются лучи света и т. д. Появившаяся в
XIX в., задолго до ОТО, неэвклидова геометрия, откры-
тая великим русским математиком Н. И. Лобачевским
(1792—1856) и независимо от него венгерским ученым Яно-
шем Больяи (1802—1860), первоначально казалась совер-
шенно абстрактной, не имеющей отношения к реально-
сти. Понять, что можно придумать такой мир, в котором,
например, сумма углов треугольника не равна 180°, легче
(для этого достаточно рассмотреть геометрию на сфере или
на любой другой искривленной поверхности), чем пове-
рить в то, что такое бывает на самом деле.
Так вот, общая теория относительности как раз и ут-
верждает, что искривленное физическое пространство дей-
ствительно существует: метрика пространства событий
(пространства — времени) определяется движением и рас-
пределением масс; точно так же движение и распределение
масс зависит от метрики пространства. Десять основных
уравнений ОТО являются математическим выражением
указанной взаимосвязи. Материальные тела, искривляя
пространство, как бы предопределяют траекторию движе-
ния оказавшегося вблизи них другого тела. Искривленное
пространство действует на траектории частиц и поведение
полей. Лишь очень большое воздействие способно искри-
вить пространство: упругость пространства обратно про-
порциональна постоянной тяготения. Постоянная тяготе-
ния мала, следовательно, пространство обладает чудовищ-
но большой упругостью. Присутствие массивного тела не
только искривляет пространство, но и замедляет течение
времени. Все это и отражается в структуре уравнений
ОТО. Значит, с точки зрения ОТО, тяготение есть резуль-
тат изменений, которые вносят материальные тела в свой-
ства пространства — времени.
54
Ньютоновская теория «дальнодействия» тяготения ста-
ла теорией «близкодействия». В пространстве, искривлен-
ном массивными телами, мы уже не встретим эвклидову
геометрию и свет там уже не будет распространяться по
прямым линиям.
Новая физика не отменяет классическую физику, а
лишь четко обозначает область ее применения. Так, если
рассматривается задача, в которой скорость движения во
много раз меньше скорости света, то релятивистская меха-
ника переходит в обычную механику Ньютона, а тяготе-
ние Эйнштейна — в привычный нам закон всемирного тя-
готения. Например, средняя орбитальная скорость Зем-
ли 30 км/с. Много это или мало? Это довольно много по
сравнению с еще недавно казавшейся недостижимой пер-
вой космической скоростью (7,9 км/с). В то же время это
мало по сравнению со скоростью света (300000 км/с). Мер-
курий — ближайшая к Солнцу планета. Поэтому он име-
ет наибольшую (по сравнению с другими планетами) орби-
тальную скорость и в его движении должны проявляться
релятивистские эффекты.
Что же нового вносит ОТО в классические законы дви-
жения небесных тел? Как выглядит в ней, например,
решение задачи двух тел? Движение материальной точки
в статическом центрально-симметричном гравитационном
поле происходит по эллипсу, но большая ось эллипса очень
медленно равномерно поворачивается в сторону орбиталь-
ного движения точки. Теория позволяет получить форму-
лы для векового релятивистского смещения перигелия.
По этим формулам были вычислены значения смещения
перигелиев планет. Оказалось, что учет такого реляти-
вистского эффекта для Меркурия (и Марса) очень хорошо
(с точностью до 1%) объясняют уже известные нам не-
вязки между наблюдениями и данными гравитационной
теории движения планет.
Наблюдения движения Меркурия дают такое хорошее
совпадение с теорией, что до недавнего времени самое твер-
дое астрономическое доказательство ОТО считалось най-
денным. Но затем начали возникать разного рода сомнения.
Их можно разделить на две группы. К первой отно-
сятся чисто астрономические (небесномеханические) сюр-
призы, которые могут когда-нибудь выявиться (например,
будут получены из наблюдений точные значения физиче-
ских характеристик тел солнечной системы или более точ-
55
ные результаты самой гравитационной теории). Не ис-
ключено, конечно, что все это улучшит совпадение данных
теории и наблюдений.
Ко второй группе относятся проблемы, вытекающие
из возможного сжатия Солнца. Дело в том, что фигура
Солнца так близка к шару, что во всех расчетах принима-
ется за шар. Однако есть основания считать, что ничтож-
ным сжатием Солнце все-таки обладает. Если это так (на
чем настаивает ряд исследователей, например, Дикке,
Голденберг и др.), то при движении в поле сплюснутого
Солнца должно возникать особое смещение перигелия Мер-
курия. Правда, всю величину векового смещения — 43" —
приписать сжатию Солнца не удается, но небольшую ее
часть, составляющую примерно 3", пришлось бы ввести
в рассмотрение, рискуя нарушить столь удачно найденное
совпадение данных ОТО и наблюдений.
Учет релятивистских эффектов в движении ближайших
к Солнцу планет, помимо всего прочего, позволяет уточ-
нить гравитационную теорию движения планет, находя-
щихся от Солнца дальше, чем Марс. Собственные реляти-
вистские эффекты в движении далеких планет неуловимо
малы. Делаются попытки выявить эти эффекты у астерои-
дов (они уже увенчались успехом в отношении Икара)
и у комет.
Общая теория относительности в принципе может при-
вести к некоторым уточнениям теории движения спутни-
ков планет и прежде всего Луны. Успешно проводится
лазерная локация Луны, но при этом возникают практиче-
ские трудности, связанные с тем, что становится ощути-
мой неточность определения скорости света (в радиоло-
кационных определениях астрономической единицы ис-
пользуется значение с = 299792,5 + 0,4 км/с). Кроме
того, для уточнения теории движения Луны необходимо
дальнейшее уточнение ее фигуры, а также и координат
точек на поверхности Луны и Земли.
Теория движения Луны и планет солнечной системы
будет совершенствоваться, но уже достигнутые ныне ус-
пехи огромны. Открытая в XIX в. и уточненная в XX в.
неравномерность вращения Земли и созданная Эйнштей-
ном общая теория относительности позволили естествен-
ным образом истолковать обнаруженные ранее невяз-
ки в движении небесных тел без внесения каких бы то
ни было поправок в основной закон небесной механики —
56
закон всемирного тяготения. Объяснение движения небес-
ных тел — замечательный итог прочного союза астроно-
мии и классической физики. Теперь рамки союза расши-
ряются. Физика, подарив астрономии удивительнейшую
из теорий — ОТО, ждет от науки о Вселенной свидетельств
истинности этой теории. Надо думать, что ожидания и на-
дежды оправдаются. Вопрос в том, когда это случится.
Учитывая темпы развития астрономии и тесно связанной с
ней космонавтики, можно думать, что потребуются годы,
а не столетия, которые оказались необходимыми для под-
тверждения истинности механики Ньютона.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА
4 октября 1957 г. запуском первого в мире советского ис-
кусственного спутника Земли началась космическая эра
в истории цивилизации. С точки зрения механики Ньюто-
на, создание искусственного спутника Земли, движу-
щегося по круговой орбите, сводится лишь к тому, чтобы
сообщить телу первую космическую скорость. Однако
долгое время космические полеты «осуществлялись» толь-
ко на страницах научно-фантастических произведений.
Замечательный русский ученый К. Э. Циолковский
(1857—1935) явился основоположником современной кос-
монавтики и ракетной техники. В работе Циолковского
«Исследование мировых пространств реактивными при-
борами» (1903) была обоснована мысль о возможности ис-
пользования ракет для полетов в космосе. Циолковскому
принадлежит идея применения многоступенчатых ракет
и, как мы знаем, именно «космические ракетные поезда»
вывели на орбиты первые искусственные спутники Земли
и позволили осуществить первые межпланетные пере-
леты.
Идеями Циолковского заинтересовались ученые и
конструкторы разных стран. Советские ученые Н. И. Ти-
хомиров, В. П. Глушко, С. П. Королев, француз Р. Эн-
со-Пельтри, американец Р. Годдард, немец Г. Оберт на-
ходились у истоков практической космонавтики. Из
небольших групп энтузиастов, в трудных условиях строив-
ших первые ракетные двигатели, выросли крупные кол-
лективы, самоотверженный труд которых увенчался соз-
данием космических ракет и рукотворных небесных тел.
57
И как бы ни были удивительны успехи небесной механи-
ки в деле построения теории движения естественных не-
бесных тел, неизгладимое впечатление на каждого произ-
водит небесная механика как теоретическая основа кос-
монавтики.
Можно без преувеличения сказать, что космонавти-
ка — одно из самых надежных подтверждений правиль-
ности небесной механики, а значит, и ее первоосновы —
ньютоновской теории тяготения. Космонавтика стала экс-
периментальной базой небесной механики, так как, во-
первых, появилась возможность реализовать различные
виды орбит искусственных небесных тел; во-вторых, ус-
танавливая приборы на Луне и планетах (например, отра-
жатели лазерных лучей), ученые как бы приспосабливают
эти естественные небесные тела для более точных астромет-
рических и небесномеханических наблюдений; в-третьих,
некоторые искусственные небесные тела специально соз-
даются для получения данных, в которых заинтересована
небесная механика. Это относится и к фигурам небесных
тел, и к их массам, и к гравитационным полям. Наконец,
космические аппараты применяются для проверки различ-
ных релятивистских эффектов. Благодаря космонавтике
просторы Вселенной превращаются в небесномеханиче-
скую лабораторию. Мог ли думать об этом Лаплас, кото-
рому приписывают введение термина «небесная меха-
ника»?
Итак, космонавтика уже немало дает для развития
небесной механики и еще больше сулит в будущем. Но и
небесная механика, будучи теоретической основой космо-
навтики, не остается в долгу перед космонавтикой. По су-
ществу, родилась новая очень важная область науки — тео-
рия движения искусственных небесных тел (астродинами-
ка). Выступая в 1963 г. на XIV конгрессе Международной
астронавтической федерации, известные советские ученые
Г. Н. Дубошин и Д. Е. Охоцимский определили круг за-
дач, решаемых астродинамикой. Наиболее важные из
них — изучение поступательного и вращательного дви-
жения космических аппаратов, разработка и применение
методов проектирования орбит.
В первом приближении движение искусственного спут-
ника Земли можно рассматривать как движение точки с
малой массой в поле тяготения другой «тяжелой» точки,
масса которой равна массе Земли и которая совпадает с
68
центром нашей планеты. В этом приближении орбитой
спутника будет Кеплеров эллипс (в частном случае ок-
ружность), в одном из фокусов которого находится «тяже-
лая» точка. Важнейшие параметры орбиты — период
обращения и высота перигея. Форма орбиты, как уже гово-
рилось при рассмотрении задачи двух тел, зависит от по-
ложения спутника и его начальной скорости.
Однако первое приближение оказывается недостаточ-
ным и приходится учитывать возмущения, вызываемые
сжатием Земли, а для спутников, движущихся по очень
вытянутым орбитам, существенным становится также и
притяжение Луны и Солнца. Кроме того, появляются спе-
цифические для искусственных спутников Земли возмуще-
ния. К ним относится, например, аэродинамическое соп-
ротивление, возникающее при движении спутника в
атмосфере Земли. Большим спутникам небезразлично дав-
ление солнечного света. Приходится также учитывать ди-
намические и электромагнитные эффекты, возникающие
при движении спутника в магнитном и электрическом по-
лях Земли. Дополнительные проблемы возникают в слу-
чае маневрирующих космических аппаратов, у которых
по команде с Земли можно включать коррекционные ре-
активные двигатели и тем самым изменять орбиту.
Названные и не названные здесь (например, реляти-
вистские) эффекты различным образом сказываются на
движении искусственного спутника Земли. Разрабатыва-
ется теория учета возмущений. Для искусственных спут-
ников Земли это прежде всего теория гравитационных воз-
мущений от несферичности Земли. Оказывается, ее влия-
ние сводится не к изменению формы орбиты спутника
или наклонения к экватору Земли, а к появлению прецес-
сии, вследствие которой, в частности, с каждым следую-
щим оборотом спутник, движущийся в направлении вра-
щения Земли, пересекает экватор западнее точки, где он
должен был оказаться только вследствие суточного вра-
щения Земли. Скорость прецессии зависит от размеров ор-
биты и ее наклонения к экватору. Например, при низких
орбитах смещение восходящего узла орбиты за сутки
составляет около 9°.
Со временем изменяется и вид орбиты. В отличие от
неизменных орбит планет, орбиты искусственных спут-
ников Земли весьма заметно эволюционируют. Тормозясь
в атмосфере Земли, спутник, двигавшийся по эллип-
59
тической орбите, будет постепенно снижаться, его ор-
бита (вследствие неодинакового снижения апогея и пе-
ригея) приблизится к круговой. На последующих витках
спутник начнет двигаться по спирали в уже достаточно
плотных слоях атмосферы. Это финальная стадия эволю-
ции орбиты: в конце ее спутник, не предназначенный для
возвращения на Землю, сгорает. Сила аэродинамического
сопротивления направлена по касательной к орбите и нав-
стречу движению спутника. Она и есть причина торможе-
ния. Парадоксально, что в результате торможения и сни-
жения (уменьшается большая полуось орбиты, сокра-
щается период обращения) линейная скорость спутника
будет возрастать, а не уменьшаться. Конечно, это не проти-
воречит законам физики: потенциальная энергия снижаю-
щегося спутника уменьшается быстрее, чем растет кине-
тическая, а значит, полная энергия спутника будет, как
ей и полагается, уменьшаться.
Точное; решение задачи движения спутника в поле тя-
готения получить невозможно из-за математических труд-
ностей, возникающих при решении уравнений движения.
Но довольно неожиданно задачу о движении спутника в
поле тяготения сжатой (относительно экватора) Земли со-
ветским ученым Е. П. Аксенову, Е. А. Гребенникову и
В. Г. Демину удалось в 1961 г. свести к решению обоб-
щенной задачи двух неподвижных центров. Решение «обык-
новенной» задачи двух неподвижных центров известно
было еще со времен Эйлера. Эта задача представляет со-
бой специальный случай ограниченной задачи трех тел и
заключается в исследовании движения бесконечно малой
массы в поле тяготения двух неподвижных материальных
точек. До последнего времени практическое значение ре-
шения задачи Эйлера считалось относительно небольшим,
хотя известно, что к этой задаче может быть сведено дви-
жение астероидов и комет в поле Юпитера и Солнца,
а также движение космического корабля к Луне.
Обобщение, сделанное советскими учеными, привело к
рассмотрению движения бесконечно малой массы, которое
происходит в поле тяготения двух неподвижных комплекс-
ных масс, находящихся на комплексном расстоянии друг
от друга. Появление комплексных чисел при решении ре-
альной небесномеханической задачи, казалось бы, долж-
но указывать на абсурдность полученного результата и
может послужить лишь основой сюжета научно-фантас-
60
тического рассказа. Ног обратившись, например, к кур-
су небесной механики Г. Н. Дубошина *, читатель не без
удивления обнаружит, что комплексные или даже чисто
мнимые величины позволяют получить первое приближен-
ное решение задачи о движении спутника в гравитационном
поле сжатой Земли.
Шутки ради можно сказать, что если бы оказались пра-
вильными результаты первых французских геодезических
работ, свидетельствующих о продолговатости Земли и,
стало быть, об ошибочности теории Ньютона, то в реше-
нии этой задачи расстояние между неподвижными центра-
ми было бы не мнимым, а действительным.
В 1971 г. за цикл работ по проблемам и методам не-
бесной механики Е. П. Аксенов, Е. А. Гребенников,
В. Г. Демин, Г. Н. Дубошин и М. Д. Кислик были удос-
тоены Государственной премии СССР. Эти ученые внесли
большой вклад в развитие небесной механики и астроди-
намики. Созданные ими методы упростили расчет орбит и
контроль за движением космических аппаратов. Ими раз-
работана весьма точная аналитическая теория движения
искусственных спутников Земли, позволяющая учитывать
и гравитационные возмущения и сопротивление земной
атмосферы для спутников, движущихся по самым разно-
образным орбитам, а также развита теория поступатель-
но-вращательного движения спутников, вращение кото-
рых тесно связано с орбитальным движением и должно
учитываться при расчетах траекторий.
Особое место в астродинамике занимают проблемы
полетов к Луне и планетам. В качестве опорной траекто-
рии берется Кеплеров эллипс и делается возможный учет
гравитационных возмущений от тех или иных небесных
тел. При этом существенную роль играют представления
о гравитационных сферах Земли и других планет, Луны и
Солнца. Что же это за сферы? Допустим, что космический
аппарат приобретает ускорение w' под действием притя-
жения Солнца, принимаемого за центральное тело, а ус-
корение w" — возмущающее ускорение, вызванное пла-
нетой. Если же центральное тело — планета, то пусть
она сообщит кораблю ускорение, которое мы обозначим
через w'u а Солнце будет играть роль возмущающего те-
* Г, Я. Дубошин. Небесная механика. М., «Наука», 1968,с. 785—795.
61
ла (сообщенное им ускорение — w^. Так вот, область
пространства, в которой w'lw” > w[/w^ называется сфе-
рой действия планеты. Эта область ограничена почти
сферической поверхностью, определяемой условием
w'lw” = wj/wj. Радиус сферы действия Земли относительно
Солнца равен 930 тыс. км, сферы действия Луны относи-
тельно Земли — 66 тыс. км.
Область трехмерного пространства, в котором w[ >
> есть сфера тяготения планеты относительно Солнца.
Для астродинамики эта сфера имеет, пожалуй, наимень-
шее (по сравнению с другими гравитационными сферами)
значение, но введенным понятием мы сумеем воспользо-
ваться при сравнении гравитационных сфер Солнца. Сфе-
ра действия планеты меньше той области пространства,
в которой планета способна удерживать спутники (сфера
Хилла). Радиус сферы Хилла, равный расстоянию от
планеты до либрационной точки Lt, составляет для
Земли 1,5 млн. км. На границе сферы Хилла w[/w{ =
= 2/3. Внутри сферы Хилла естественное небесное тело
(спутник) или выведенный на орбиту искусственный спут-
ник могут находиться неограниченно долго, хотя его дви-
жение, конечно, будет непрерывно подвергаться возму-
щениям со стороны Солнца.
Понятие гравитационных сфер приложимо к любым
небесным телам. В качестве примера приведем резуль-
тат вычисления радиусов гравитационных сфер Солнца
относительно Галактики, масса которой условно (лишь
для упрощения расчетов) считается сосредоточенной в ее
центре, в действительности же, как хорошо известно, мас-
са Галактики является распределенной. Радиус сферы
действия Солнца 60 тыс. а. е. (сравните с расстоянием от
Солнца до Плутона — 40 а. е.), сферы притяжения 4,5
тыс. а. е., сферы Хилла 230 тыс. а. е. Значит, если счи-
тать, что сфера Хилла определяет границы солнечной
системы, то эти границы простираются до ближайших
звезд: 230 тыс. а. е. = 4,1 пс (парсек), а расстояние до а
Центавра 1,3 пс; 1 пс = 3,26 св. года.
Какое же все-таки значение имеют гравитационные
сферы для расчета траекторий космических кораблей?
Эти сферы облегчают выявление главного возмутителя эл-
липтического движения космического корабля. Предста-
вим себе, что корабль летит к Луне. Пока он не достиг
границы сферы действия Луны, можно с известной точ-
62
костью полагать, что он совершает геоцентрическое движе-
ние по Кеплерову эллипсу. Но вот корабль вступил в сферу
действия Луны. Теперь уже придется перейти от гео-
центрического движения к селеноцентрической Кеплеро-
вой траектории. Не лишне заметить, что, добравшись до
«заветной» границы, корабль сам по себе не устремится
к Луне. Поэтому приходится заботиться о том, чтобы се-
леноцентрическая скорость в момент входа корабля в сфе-
ру действия Луны была направлена на Луну. Значит, тра-
екторию полета корабля к Луне можно представить как
состоящую из различных участков, которые, вообще го-
воря, могут быть не обязательно эллиптическими, а пара-
болическими или гиперболическими. Советский ученый
В. А. Егоров разработал приближенную методику со-
ставления траектории полетов к Луне, дал подроб-
ную классификацию возможных траекторий сближе-
ния и оценил реальную возможность их осуществления.
Указав космонавтике путь к Луне, небесная меха-
ника предупредила и о том, что траектории чрезвы-
чайно чувствительны к изменению начальной скорости.
Осуществление полетов к Луне по различным траекто-
риям и с различными научными целями (фотографирова-
ние обратной стороны Луны, облет Луны с возвращением
на Землю, мягкая посадка, создание искусственного спут-
ника Луны, доставка на Землю образцов лунного грун-
та и т. д.) свидетельствует о высоком уровне развития мно-
гих областей современной науки и техники.
Теория полетов к Луне — пример того, что дает космо-
навтике небесная механика. Но поскольку практическая
космонавтика уже далеко шагнула за пределы лунной ор-
биты и непилотируемые космические аппараты достигли
поверхности Марса и Венеры, а совсем недавно (1973—
1974) побывали вблизи Меркурия и Юпитера, то приведен-
ный пример—один из многих.
Дальние рейсы в космос предъявляют астродинамике
много существенных требований. Среди них весьма важно
требование экономии топлива, необходимого для коррек-
ции траектории. Космическому кораблю, как говорят спе-
циалисты, не удается «уснуть на руках Ньютона». Но мы
здесь не будем рассматривать небесномеханические проб-
лемы межпланетных полетов. Интересующиеся ими мо-
гут обратиться к литературе, список которой приведен в
конце книги..
63
«ЗЕМНАЯ» ФИЗИКА
В КОСМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИЙ
\
Астрофизике принадлежит будущее,
Л. Л. Арцимович, 1972 г.
ОТ МЕХАНИКИ К ФИЗИКЕ И ФИЛОСОФИИ
Емкое название гениального труда И. Ньютона — «Ма-
тематические начала натуральной философии» — подобно
формуле, показывающей взаимосвязь классической меха-
ники и философии. Ньютон создал науку, на которую
многие годы ориентировалась философия. Так, Кант вы-
двинул «принцип развития», утверждающий основанную на
законах ньютоновской механики великую общность яв-
лений природы. 220 лет назад в книге «Всеобщая естест-
венная история и теория неба» Кант поставил задачу най-
ти, исходя из принципа развития, то, что «связывает меж-
ду собой в систему великие звенья Вселенной во всей ее
бесконечности». Он стремился показать, хскак из первона-
чального состояния природы на основе механических за-
конов образовались сами небесные тела и каков источник
их движения» *.
Задача найти источник движения, не довольствуясь
ньютоновской идеей первоначального толчка,— великая
задача. В космогонии Канта гармония мира рождается
из первоначального хаоса, содержащего, однако, все, что,
по мнению Канта, было необходимо для наведения поряд-
ка: силы притяжения и отталкивания. Первые — наука об-
рела в ньютоновской теории тяготения, вторые — и по
сей день являются предметом поиска ученых. Но Кант
* Я. Кант, Соч. в 6-ти томах, М., «Мысль», 1966, т. lt с, 117.
64
не сомневался в реальности сил отталкивания, и роль
им отводил иную, чем физики, исследующие ныне грави-
тацию вакуума. Кант считал, что «материя с самого нача-
ла стремится к формированию», причем силы притяжения
создают «сгустки» будущих небесных тел, а силы отталки-
вания способствуют возникновению их орбитального дви-
жения. Материя, внутренние силы которой могли привес-
ти к формированию небесных тел и их упорядоченному
движению, не нуждалась (как потом заявит Лаплас) в «ги-
потезе бога». Что же касается Канта, то ему принадлежит
крылатая фраза: «Дайте мне материю, и я построю из нее
мир»; это он сказал: «Мир имеет источником своего уст-
ройства механическое развитие по всеобщим законам
природы» *. И не случайно основоположники марксизма
отмечали, что в космогонической гипотезе Канта «заклю-
чалась отправная точка всего дальнейшего движения впе-
ред» **. В брешь, пробитую Кантом, устремился поток
развития науки.
Наука не могла остановиться на механике Ньютона.
И дело не только в том, что были найдены границы приме-
нимости законов классической механики. Главное заклю-
чается в сложности и многообразии окружающего нас ми-
ра, который не может быть объяснен на основе одних
только законов механики. Кант, конечно, чувствовал это.
Он понимал, что нельзя к механике свести специфику
органического мира, и оказался вынужденным объяснить
жизнь с позиций «принципа целесообразности», неминуемо
ведущего к признанию бога. Да и сложность неорганиче-
ской природы не давала философу покоя. Пытаясь обосно-
вать идею вечности природы, он уподоблял ее фениксу —
сказочной птице, которая, по представлениям древ-
них, дожив до старости, сжигала себя, а затем возрожда-
лась из пепла молодой и обновленной. Не сравнивая эту
красивую сказку с не менее красивой гипотезой «пульси-
рующей Вселенной», напомним лишь, что Кант оказался
первым из пророков современной планетной космогонии,
и не будем торопиться определять ценность его идей для
современной релятивистской космологии. Для нас сейчас
важно другое: физика Вселенной не тождественна механи-
ке Вселенной. Для XX в. эта мысль лишена свежести.
* Там же, с. 229—230.
*♦ К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т, 20, с. 351.
3 Е. П. Левитан
65
В XVIII в., во времена Канта, дело обстояло, как мы ви-
дели, иначе.
Современная астрофизика выросла из анализа спект-
ров, интерпретацию которых дали атомная физика и кван-
товая механика. Неспециалиста всегда поражает обилие
информации, которую ученые извлекают из невзрачных
по виду спектров далеких космических источников. Еще
более удивительны достижения радиоастрономии, с появ-
лением которой «астрофизика на основе теории атома»
почти полностью превратилась в «астрофизику на основе
плазмы».
Анализ разнообразных процессов взаимодействия ве-
щества и излучения привел к новым представлениям о
Вселенной. Заблуждение человечества по поводу того, из
чего состоит Вселенная, сравнимо лишь с заблуждением
о том, какое место во Вселенной занимает наша планета.
«Здравый смысл» услужливо подсказывал человеку, что
Земля — центр Вселенной, тот же «здравый смысл» слад-
ко шептал, что в Земле сосредоточена практически вся
масса вещества (звезды — гвоздики, вбитые в небесный
свод; Солнце очень мало, размером «со ступню человече-
скую» и т. д.). Понимание ошибочности этого представле-
ния пришло с победой гелиоцентризма. Помните, у Ломо-
носова: «Кто видел простака такого, который бы вертел
очаг вокруг жаркого?».
Итак, Солнце — гигантский «очаг», физику которого
гениальный Ломоносов представлял себе достаточно хо-
рошо и замечательно образно («горящий вечно океан»).
В Солнце сосредоточена, как мы знаем, большая часть массы
вещества солнечной системы. Звезды — другие солнца —
также вобрали в себя очень много вещества. Планет дру-
гих звезд мы не видим, хотя не сомневаемся, что они долж-
ны быть. Знаем мы и о существовании облаков диффузной
материи и о межзвездной среде, где есть атомы и даже мо-
лекулы. Знаем и о том, что потоки вещества в виде косми-
ческих лучей пронизывают Вселенную. Наконец, вспоми-
наем, что во Вселенной должно быть еще и излучение. Но
лишь совсем недавно стало ясно, что во Вселенной царит
именно излучение, а не вещество: миллиард радиокван-
тов низких энергий приходится на один атом вещества.
Внимание новейшей астрофизики и внегалактической
астрономии буквально приковано к нестационарным про-
цессам во Вселенной. Вспышки на Солнце, физические пе-
66
ременные и вспыхивающие звезды, новые и сверхновые
звезды, пульсары, активность ядер галактик, рентгенов-
ские источники излучения, квазары — вот неполный
перечень процессов и космических объектов, чья нестацио-
нарность является сейчас предметом всестороннего иссле-
дования. Нестационарность, о которой раньше практиче-
ски ничего не было известно, стала и одним из краеуголь-
ных камней современных представлений о Вселенной.
По этому поводу выдающийся советский астрофизик
академик В. А. Амбарцумян писал: «Сегодня вся астро-
физика оказалась буквально пронизана идеей эволюции
звезд, звездных скоплений и галактик. Это, несомненно,
явилось результатом большого внимания к изучению не-
стационарных объектов во Вселенной». В. А. Амбарцу-
мян неоднократно напоминал, что еще тридцать лет назад
Вселенная казалась нам спокойным и даже торжествен-
ным миром почти неизменных неподвижных звезд. Такая
картина вполне соответствовала механистическим пред-
ставлениям о Вселенной, развитым на основе небесной ме-
ханики и только что зародившейся астрофизики, изучав-
шей главным образом равновесное тепловое излучение
звезд. Теперь же, по определению В. А. Амбарцумяна,
«Вселенная — это быстро и глубоко изменяющийся мир,
наполненный богатейшим разнообразием жизненных про-
цессов космических тел» *.
За последние десятилетия человек узнал о Вселенной
во много раз больше, чем за всю предысторию астрономии.
Невозможно переоценить полученные ныне знания о Все-
ленной для физики, философии, мировоззрения. В наш кос-
мический век, век науки и прогресса знания о Вселенной
становятся элементом культуры каждого образованного
человека. Но наука продолжает развиваться. Возникают
новые проблемы, задачи, вопросы. «Вечные» вопросы —
что представляет собой окружающий нас мир (в масшта-
бах, изучаемых астрономией), бесконечна ли Вселенная,
каково ее прошлое и будущие, одиноки ли мы во Вселен-
ной — получают в наше время новое звучание, новую
трактовку. С позиций науки сегодняшнего дня далеко
не на все такие вопросы можно дать простые, односложные
ответы. Астрофизика будущего может не только существен-
♦ В. Л. Амбарцумян. Ядра галактик.—«Земля и Вселенная», 1969,
№ 2, с. 34.
3*
67
но повлиять на развитие «земной» физики, но и внести
важные коррективы в наши представления о пространстве
и времени — главных атрибутах вечно движущейся и
изменяющейся материи. Не будет преувеличением сказать,
что данные современной астрофизики, внегалактической
астрономии и космологии являются составной частью
естественнонаучного фундамента материалистической фи-
лософии.
Говорят, что «здравый смысл» есть сумма знаний и за-
блуждений. В процессе познания пограничная область
между знанием и заблуждением сокращается, а вот меж-
ду знанием и незнанием — увеличивается: чем больше мы
узнаем, тем больше, оказывается, нужно узнать, тем бо-
лее сложные вопросы приходится обсуждать и решать*
«Все, что мы знаем,— сказал Лаплас на смертном од-
ре,— это только маленькая частица того, что остается нам
неизвестным».
И еще. Нередко приходится слышать, что к некоторым
вопросам теоретической физики легче привыкнуть, неже-
ли их понять или тем более прочувствовать. Истоки это-
го афоризма ясны: восприятие теоретической физики за-
труднено отсутствием наглядности. Известно, что лучше
один раз увидеть, чем сто раз услышать, но, к сожалению,
многие явления и процессы, относящиеся к квантовой ме-
ханике или теории относительности, увидеть нельзя. Ло-
гически непротиворечивое обоснование этих явлений и
процессов, равно как и методически продуманная система
изложения соответствующих вопросов, лишь отчасти ком-
пенсируют отсутствие наглядности. На помощь восприя-
тию приходит практика, понимаемая в самом широком
смысле. Современникам громадных ускорителей элемен-
тарных частиц легче понять теорию, лежащую в основе
происходящих в ускорителях процессов, чем людям, ко-
торые знакомились с основами квантовой механики и СТО
во времена, еще далекие от их практического применения.
Изобретенные лет через сорок после рождения квантовой
механики транзисторы и лазеры ввели электронику и кван-
товую механику не только в различные области науки и
техники, но и в повседневную жизнь каждого из нас. Эти
примеры показывают, как практика помогает отвлечен-
ным теориям утвердиться в сознании людей, желающих
понять эти теории. Но нам скоро встретятся и иного рода
примеры.
68
Неэвклидова геометрия сегодня не стала наглядней,
чем несколько десятилетий назад. Но сегодня со школь-
ной скамьи детям не только внушается мысль о возможнос-
ти существования неэвклидовой геометрии, но и указы-
ваются конкретные области, в которых без такой геомет-
рии невозможно обойтись. Неэвклидова геометрия лежит
в основе общей теории относительности, а без нее нельзя
обойтись при исследовании настоящего и прошлого Боль-
шой Вселенной. Поэтому «земная» теоретическая физика,
помогая с помощью космической лаборатории понять то,
что происходит во Вселенной, увеличивает число своих
поклонников.
Мы знаем, что Вселенная и в прошлом играла роль кос-
мической лаборатории для физиков. Но если когда-то это
была преимущественно лаборатория по проблемам меха-
ники, то сейчас проблематика космической лаборатории
неизмеримо расширилась. В ней появились совершенно
новые темы, связанные с самыми разнообразными облас-
тями физики. Теперь это настоящая физическая лабора-
тория, в которой с увлечением трудятся настоящие фи-
зики.
СПЕКТРОСКОПИЯ
Как и многие другие необыкновенные небесные явления,
радуга приводила в трепет древних: одни принимали пре-
красное многоцветие за недоброе знамение, другие — виде-
ли в ней предвестник удачи и счастья. Сегодня школьни-
ки, повторяя фразу «Каждый Охотник Желает Знать Где
Сидит Фазан», легко заучивают последовательность прос-
тых цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, го-
лубой, синий, фиолетовый), входящих в состав белого,
и не подозревают, что до середины XVI в. ученые насчи-
тывали в радуге только три цвета.
Знаменитые опыты И. Ньютона по дисперсии света
(1666) не сразу привлекли внимание астрономов. Англи-
чанин У. Волластон был, пожалуй, первым, кто заметил
в спектре Солнца несколько темных поперечных линий
(1802). Он ошибочно принял их за «естественные границы»
между семью цветами. Позднее, в 1814 г., австрийский
оптик И. Фраунгофер (1787—1826) имел возможность за-
регистрировать множество темных линий в спектре Солн-
69
да и наблюдать спектры некоторых других небесных тел.
И хотя не он открыл спектральный анализ, потомки соч-
ли нужным начертать на его надгробии слова: «Прибли-
зил звезды».
Современные призменные или дифракционные спектро-
графы, работающие в содружестве с гигантскими опти-
ческими телескопами, лишь в самых общих чертах напо-
минают простейшие спектроскопы прошлого. Благодаря
новой технике астрофизики второй половины XX в., не
довольствуясь спектрами самых ярких небесных объектов,
получают спектрограммы далеких галактик и квазаров.
Однако физика дала астрономии не только метод полу-
чения спектров, но и метод их анализа. Если «иероглифы»
Фраунгофера остались бы неразгаданными и если бы атом-
ная физика и квантовая механика не объяснили механизм
излучения света, то спектральный анализ не стал бы «язы-
ком Вселенной». Это образное выражение, часто используе-
мое популяризаторами астрономии, особенно точно опре-
деляет роль спектрального анализа в познании Вселенной.
Благодаря Г. Кирхгофу и Р. Бунзену стало ясно,
что, сравнивая спектры светил с лабораторными, можно
узнать, какие химические элементы ответственны за излу-
чение света небесными телами. Важнейший научный и ми-
ровоззренческий вывод из исследования химического со-
става небесных тел заключался в том, что они содержат
обычные земные химические элементы. Так астрофизика
обосновала всемирность еще одного важнейшего закона
природы, открытого в 1’869 г. Д. И. Менделеевым. Вмес-
те е тем был сделан новый и исключительно важный шаг
в понимании материального единства мира.
Во Вселенной нет элементов, существование которых
не предусмотрено периодической системой элементов ве-
ликого русского химика. Однако в спектрах могут появить-
ся неизвестные линии из-за различия условий, в которых
находятся излучающие атомы на Земле и в Космосе.
В частности, высокая температура или высокое давление
могут стать причиной возбуждения и ионизации атомов,
причем, в зависимости от сложности строения атома, од-
ни и те же физические условия могут вызывать у атомов
различную реакцию.
Механизм образования спектральных линий прояс-
нился лишь после работ Нильса Бора (1913). До этого ис-
следователи при анализе спектров нередко ошибались.
70
Например, когда в 1896 г. американский астроном Э. Пик-
керинг нашел в спектре одной из звезд серию линий, не
поддающуюся отождествлению, он предположил, что эти
линии принадлежат какому-нибудь элементу, еще не най-
денному в других звездах или на Земле. На самом же деле
сходный с нейтральным водородом спектр принадлежал
ионизованному гелию. Точного совпадения между спект-
рами этих двух элементов и не должно было быть, так как
расположение спектральных линий зависит не только от
числа внешних электронов, но и от заряда ядра, неоди-
накового у водорода и гелия.
Теория возбуждения и ионизации, разработанная в на-
чале 20-х годов индийским астрофизиком М. Саха, стала
основой анализа спектров небесных тел и открыла путь к
количественному изучению содержания элементов в звезд-
ных атмосферах. Но и после создания этой теории астро-
физикам приходилось встречаться с загадочными феноме-
нами.
Когда оказалось невозможным отождествить интен-
сивные линии излучения в спектрах газовых туманностей,
на сцену вышел «небулий». Загадка его была решена лишь
после того, как удалось более глубоко разобраться в энер-
гетических уровнях атома и открыть такие переходы меж-
ду уровнями, которые никогда не наблюдались в лабора-
торных условиях. Соответствующие линии в спектре назы-
ваются запрещенными. Если возникновению разрешенных
линий предшествует очень кратковременное (доли микросе-
кунды) пребывание атома в возбужденном состоянии, то в
метастабильном состоянии атом может оставаться секун-
ды и даже минуты. Суть запрещения состоит в маловеро-
ятности переходов с метастабильного на основной уро-
вень. В земных условиях атомы даже в разреженных сре-
дах не могут столь долго оставаться в покое, не испытывая
столкновений и не отдавая энергию своего возбуждения.
Но в туманностях разрежение в миллиарды раз превыша-
ет разрежения, достигнутые в самых лучших вакуумных
установках на Земле. В среде, где 1 см3 содержит не
более 100 частиц, возникновение запрещенных линий дол-
жно быть обычным делом. Чтобы узнать, какие именно
атомы излучают там запрещенные линии, нужно было
сравнить предсказываемые теорией значения длин волн
с наблюдаемыми. В результате «небулий» с 1927 г. стал
просто ионизованным кислородом и азотом (ОН, ОШ, NII).
71
h
История с «коронием» продолжалась до 1940 г. Если
разгадка тайны «небулия» дала ключ к пониманию физи-
ки туманностей, то решение проблемы «корония» привело к
новым воззрениям на физику солнечной короны. Концент-
рация частиц (порядка 108 см"3) в короне мала, хотя она в
миллионы раз выше концентрации частиц в газовых ту-
манностях. Развенчать «короний» удалось лишь после
того, как стало ясно, что атомы в короне Солнца находят-
ся в среде, где господствуют и высокие разрежения и вы-
сокие температуры. Совокупность этих условий порож-
дает многократную ионизацию атомов. Например, знамени-
тая зеленая линия (5303 А) принадлежит тринадцатикратно
ионизованному атому железа (FeXIV). Отождествле-
ние других линий «корония» привело к открытию ионов
FeXIII, NiXV, CaXV и др. Потенциал ионизации CaXV
равен 814 В, т. е. примерно в 50 раз выше потенциала ио-
низации водорода (13,6 В). В условиях разреженной коро-
ны подобная ионизация могла возникнуть при столкнове-
нии атомов со свободными электронами, движущимися
со скоростями в десятки тысяч километров в секунду и
обладающими энергией порядка сотен электрон-вольт.
Отождествление линий «небулия» и «корония» было
таким же триумфом для астроспектроскопии, как откры-
тие Нептуна для ньютоновской небесной механики. И хотя
до сих пор есть немало слабых линий в спектрах ту-
манностей, которые еще ждут отождествления, никому
не приходит в голову приписывать их каким-нибудь не-
земным химическим элементам. Периодический закон
Д. И. Менделеева, как и великие законы сохранения мате-
рии, энергии, количества движения, стал отправным пунк-
том анализа необычных ситуаций, часто возникающих
в процессе познания Вселенной.
Достаточно напомнить положение, сложившееся пос-
ле открытия квазаров. Работающий в США молодой гол-
ландский астрофизик М. Шмидт в начале 1963 г. сфотогра-
фировал спектр ярчайшего квазара 3C273 (это объект 13-й
звездной величины) и обнаружил, что невозможно отож-
дествить наблюдаемые в его спектре эмиссионные линии.
Если бы такое открытие произошло в конце XIX или даже
в начале XX в., то, вероятно, появилась бы гипотеза «ква-
зария» — гипотетического элемента, из которого якобы со-
стоят в основном эти диковинные небесные объекты. Но в
наше время появление такой гипотезы по своей научнос-
72
ти было бы сравнимо с известием об изобретении вечного
двигателя — и то и другое находится за пределами науки.
М. Шмидт догадался> что в спектрах квазаров все линии
сильно сдвинуты к красному концу. Поэтому линии, ко-
торым положено быть в ультрафиолете, переехали в ви-
димую часть спектра, где их, конечно, не узнали, хотя
это были линии самого обычного элемента Вселенной —
водорода и ряда других, достаточно распространенных
элементов. Как известно, первую (резонансную) линию
главной серии водорода (серии Лаймана) с поверхности
Земли наблюдать нельзя: излучение поглощается в зем-
ной атмосфере молекулами кислорода, задерживающими
это излучение в области 1200А. Длина волны Ьл — 1216А;
в спектре квазаров эту линию можно увидеть, например,
в области 3900А! Но, связав красное смещение со скорос-
тью удаления источника света (эффект Допплера), приш-
лось приписать квазарам скорости, сравнимые со скоростыр
света. Возник вопрос, почему у квазаров такие скорости?
Или это сверхдалекие небесные объекты, участвующие
в общем расширении Метагалактики, или, как думают
сейчас лишь немногие астрономы, это «снаряды», выбро-
шенные из не очень далеких от нас очагов мощных взрывов.
Огромные коллекции спектрограмм отражают разно-
образие спектров звезд. В одних, подобно солнечному,
много линий металла, в других — в основном лишь ши-
рокие линии водорода, в третьих есть даже молекулярные
полосы. По мере накопления спектрограмм возникла не-
обходимость их классификации. В разработанной в нача-
ле нашего века директором Гарвардской обсерватории
Э. Пикерингом классификации звездные спектры сгруп-
пированы так, чтобы особенности предыдущей группы плав-
но переходили в особенности следующей за ней группы.
Гарвардская классификация звездных спектров, дос-
таточно хорошо отражающая такую последовательность
внешних признаков спектров звезд, возникла не сразу.
В 60-х годах XIX в. итальянский астроном А. Секки ис-
следовал 4 тыс. звезд и сумел отнести их к четырем основ-
ным группам. Спустя почти четверть века в Гарварде при-
ступили к работе над составлением каталога, названного в
честь одного из пионеров спектроскопии Г. Дрэпера.
Применение объективных призм позволяло одновременно
получать на фотопластинке большое число изображений
спектров. Анни Кэнон, сотрудница Э. Пикеринга, за
73
40 лет выполнила титаническую работу но классификации
почти 360 тыс. спектров звезд.
В современном виде спектральная классификация пред-
ставляет собой последовательность классов О, В, A, F,
G, К, М (с побочным ответвлением N, R, S). Теперь спек-
тральную классификацию студентам приходится учить
так же, как школьникам последовательность цветов. Стре-
мясь облегчить себе жизнь, они придумывают «запомина-
лочки». Автор хорошо помнит время, когда студенты-
физики, которым предстояло сдавать в педагогическом
институте экзамены профессору Б. А. Воронцову-Велья;
минову, усердно твердили: «О, Борис Александрович! Фи-
зики Ждут Конца Мучений!».
Но учат спектральную классификацию не зря: ведь
теперь известен ее физический смысл, прояснившийся
после работ М. Саха. Гарвардская классификация —
это ионизационная или просто температурная классифи-
кация, отражающая не разнообразие химического состава
звезд, а разнообразие физических условий, господствую-
щих в атмосферах звезд. Наибольшие ионизация и возбуж-
дение присущи звездам класса О, где кроме линий Н, Не1,
Hell видны линии SilV, CIV, СШ, NIII. Они свидетель-
ствуют о том, что температура атмосфер этих звезд 25 000—
30 000 К. Далее, по мере продвижения вдоль спектральной
последовательности температура падает, а вместе с ней
меняются условия ионизации. Этим объясняется, что
в спектрах звезд класса В велика интенсивность линий Не1,
а в звездах класса А — линий HI и Call. В классе F ли-
нии водорода слабеют, а линии ионизованных металлов
усиливаются. Это особенно проявляется в классе G, к ко-
торому принадлежит наше Солнце. В классе К фиолето-
вый конец спектра ослаблен и наиболее интенсивны линии
металлов. Наконец, при переходе к классам М, N, R и S
наблюдается ослабление линий металлов и появление по-
лос поглощения молекул (С2, CN, TiO, ZrO и др.). Темпе-
ратура атмосфер этих звезд около 3000 К.
Изменение температуры звезд, которое наблюдается
при переходе от одного класса к другому, отражается и в
изменении цвета звезд: звезды ранних классов белые и да-
же голубые, Солнце — пример желтой звезды, звезды
класса М — красные.
Уже после создания каталога Дрэпера выяснилось, что
звезда, относящиеся к одному и тому же классу, могут
74
иметь совершенно различную мощность излучения — све-
тимость, т. е. среди них могут быть гиганты и карлики.
Физическое объяснение этого факта связано с тем, что
температура важный, но не единственный фактор, от ко-
торого зависит ионизация. Ионизация (следовательно,
и формирование спектральных линий) зависит также и от
давления. Оно мало в протяженных и разреженных атмо-
сферах звезд-гигантов и велико в тонких и плотных атмо-
сферах звезд-карликов.
Наглядное представление о зависимости между видом
спектра и светимостью дает знаменитая диаграмма «спектр-
светимость», созданная в начале XX в. нидерландским
астрономом Э. Герцшпрунгом и американским астрофизи-
ком Г. Ресселом. Это — график, построенный в коорди-
натах спектральный класс (температура) — светимость
(абсолютная звездная величина). Заранее было трудно
предсказать, как должны расположиться точки (звезды)
на такой диаграмме. Оказалось, что звезды на диаграмме
образуют ряд довольно четких ветвей (последовательно-"
стей) или группируются в различных частях диаграммы.
Наиболее четко выражена «главная последовательность»,
к звездам которой принадлежит и наше Солнце. В опре-
деленных местах диаграммы находятся звезды-карлики
и звезды-гиганты. Очевидно, диаграмма «спектр — свети-
мость» отражает одну из важнейших эмпирических зако-
номерностей в мире звезд. Поэтому объяснить эту диаграм-
му обязаны претендующие на истинность теоретические
представления о природе и эволюции звезд.
Конечно, спектральный анализ — не единственный ме-
тод изучения природы небесных тел. Но все-таки труд-
но себе представить, что останется от наших знаний о звез-
дах, если исключить из них все добытое с помощью спек-
тральных исследований. Ведь и неспециалисты хорошо
знают, что звезды даже в самые крупные телескопы видны
как точки. Анализ спектра — практически основной ис-
точник сведений не только о химическом составе звездных
атмосфер, но и о температуре и других физических усло-
виях на звездах. Анализ спектра привел к открытию вра-
щения звезд, он же дает возможность исследовать спек-
трально-двойные пары, двойственность которых нельзя
обнаружить никакими другими способами. Достойна удив-
ления картина явлений, происходящих в тесных двойных
системах, например в системах звезд типа £ Лиры, где
75
спектральные данные позволяют выяснить особенности
каждой звезды и получить представление о движении га-
зовых потоков, выбрасываемых звездами.
Но сказанным далеко не исчерпывается могущество
спектроскопии. Так, например, эффект Допплера, кото-
рый экспериментально доказал известный русский астро-
физик академик А. А. Белопольский (1854—1934), стал
основой определения лучевых скоростей звезд и галактик.
Из, казалось бы, технической работы по измерению луче-
вых скоростей выросли многие современные представления
о закономерностях движения звезд в Галактике и о рас-
ширении Метагалактики. Совместный анализ кривой блес-
ка и кривой лучевых скоростей позволяет вскрыть сущ-
ность процессов, происходящих на пульсирующих и взры-
вающихся звездах.
Научившись по спектру определять абсолютную звезд-
ную величину, астрономы с помощью хорошо известной
им зависимости «период — светимость» для цефеид стали
заходить расстояния до звездных скоплений и галактик,
в которых обнаруживались эти пульсирующие гигантские
звезды. Так, дополняя астрометрические определения рас-
стояний до звезд, спектральные наблюдения помогли про-\
никнуть далеко в глубины Вселенной.
Однако возвратимся к астрофизике. В 1896 г. голланд-
ский ученый П. Зееман открыл расщепление линий в спек-
тре источника света, помещенного между полюсами элек-
тромагнита. Расщепление оказалось тем больше, чем боль-
ше была напряженность магнитного поля. В открытии
Зеемана воплотилась мечта Фарадея «осветить силовые
линии и намагнитить свет». Открыв вращение плоскости
поляризации в магнитном поле, Фарадей «намагнитил
свет», а вот «осветить силовые линии» выпало на долю
Зеемана. Основы теории эффекта Зеемана восходят к
Лоренцу, показавшему, как именно должно происходить
расщепление линий, и давшему формулу для величины
расщепления в случае простого эффекта Зеемана. Теория
аномального эффекта была разработана позднее с пози-
ций квантовой механики.
В космической лаборатории эффект Зеемана «стал ра-
ботать» вскоре после его открытия на Земле (если не рань-
ше: английский ученый Н. Локьер еще в 1866 г. как будто
бы наблюдал расщепление линий в спектре солнечных пя-
тен). Официальный «стаж работы» эффекта Зеемана исчис-
76
ляется с 1908 г., когда профессор астрофизики Чикагского
университета Дж. Хэйл доказал, что линии в спектре сол-
нечных пятен расщеплены под действием магнитного поля
напряженностью в несколько тысяч эрстед.
Дж. Хэйл (1868—1938) — один из пионеров исследова-
ния Солнца, его именем назван 5-метровый телескоп обсер-
ватории Маунт-Паломар, вступивший в строй в 1948 г.
Считая себя экспериментатором, Хэйл намеревался найти
способ сочетания физики и химии с астрономией. Книга
Н. Локьера «Исследования по спектральному анализу^
указала Хэйлу его истинное призвание, а книга Ч. Дар-
вина «Происхождение видов» научила его «рассматривать
Солнце как типичную звезду, как звено длинной цепи
эволюции и помогла ...избежать превращения в узкого
специалиста по солнечным исследованиям» *. Справедли-
во считая, что Солнце — единственная звезда, у которой
все явления могут быть детально изучены, Хэйл, не жалея
сил, исследовал природу солнечных пятен. Он открыл,
что группы солнечных пятен биполярны и что цикл изме-
нения магнитной полярности пятен составляет 22 года.
Начатые Хэйлом исследования магнитного поля пятен
и общего магнитного поля Солнца продолжаются на мно-
гих обсерваториях. Успешно проводятся они и учеными
Крымской астрофизической обсерватории АН СССР, кото-
рой почти четверть века руководит академик А. Б. Север-
ный. Теперь в распоряжении исследователей имеются спе-
циальные инструменты — магнитографы, позволяющие де-
тально и с большой точностью регистрировать и изучать
магнитные поля на Солнце, что, как мы увидим дальше,
необходимо для выяснения их роли в механизме возник-
новения и развития пятен, вспышек, протуберанцев.
Сейчас всем ясно, что благодаря революции в астрофи-
зических методах исследования астроспектроскопия, как
и вообще астрофизика, превратилась из оптической во
всеволновую. Флангами наступления на тайны Вселен-
ной стали не красные и фиолетовые лучи видимого спек-
тра, а радиоволны и у-излучение.
Успешно начатое 4 октября 1957 г. в нашей стране осво-
ение Космоса имеет особое значение для астрономии. Бла-
годаря внеатмосферным и наземным радиоастрономичес-
♦ Цит. по кн.: О. Струве^ В, Зебергс, Астрономия XX века. М.,
«Мир», 1968, с. 129.
77
ким наблюдениям в распоряжении физиков и астрофизиков
оказывается информация, ранее им совершенно не доступ-
ная. Это относится и к излучению далеких внегалактичес-
ких объектов, и к излучению планет. Последнее объясняет-
ся тем, что в отличие от атмосфер звезд атмосферы планет
в основном состоят из молекул, а наиболее информативные
полосы молекулярных спектров находятся в невидимых
диапазонах, например в инфракрасном.
Итак, спектроскопия обогатила астрофизику бесцен-
ными сведениями. Астрофизика, не оставшись в долгу,
предоставила физике такие уникальные объекты косми-
ческой лаборатории, как солнечная корона и газовые ту-
манности.
Но, научившись понимать язык Вселенной и проник-
нув во многие ее тайны, не стал ли человек чем-то беднее?
Не потерял ли он ту драгоценную способность удивляться
и восхищаться, которая была первоосновой многих вели-
чайших научных открытий? Вспомните написанные в 50-х
годах иронические строки Б. Слуцкого и ставшие чуть ли
не крылатой фразой:
Что-то физики в почете,
Что-то лирики в загоне.
Дело не в одном расчете.
Дело — в мировом законе.
Неужели «мировой закон» столь бездушен, что, делая
человека умнее, лишает его чувства прекрасного? Нет, нет
и нет! Хорошо сказал об этом Р. Фейнман, выдающийся
физик-теоретик, нобелевский лауреат за работы в области
квантовой электродинамики, крупный педагог (в чем убеж-
дается каждый читатель его «Лекций») и, наверное, прос-
то очень увлекающийся и веселый человек (потому что ведь
иной не стал бы посвящать свой досуг игре на маленьком
барабане — бонго в эстрадном оркестре или разгадывать
головоломные шифры замков от секретных сейфов). Так
вот, ему принадлежат слова, которые могли бы стать эпи-
графом ненаписанной книги «Современная астрофизика
для дам»: «Поэты утверждают, что наука лишает звезды
красоты, для нее, мол, звезды — просто газовые шары.
Ничего не „ просто”. Я тоже любуюсь звездами и чувствую
их красоту. Но кто из нас видит больше? Обширность не-
бес превосходит мое воображение... Затерянный в этой
карусели мой маленький глаз способен видеть свет, кото-
78
рому миллионы лет. Безбрежное зрелище Вселенной...
...и я сам— ее часть... Быть может, вещество моего тела
извергнуто какой-нибудь забытой звездой, такой же, как
вон та, чей взрыв я вижу сейчас. Или я смотрю на звезды
гигантским оком Паломарского телескопа, вижу, как они
устремляются во все стороны от той первоначальной точ-
ки, где, быть может, они некогда обитали бок р бок. Что
это за картина и каков ее смысл? И зачем все это? Таинству
Вселенной не причинит ущерба наше проникновение в ка-
кие-то ее секреты, ибо правда более поразительна, нежели
то, что было нарисовано воображением художников прош-
лого! Почему же нынешние поэты не говорят об этом? Что
за народ эти лирики, если они способны говорить о Юпи-
тере только как о человеке и молчат, если это огромный
вращающийся шар из метана и аммиака?»*.
ТЕРМОДИНАМИКА
В 20-х годах XIX в. французский инженер С. Карно зани-
мался проблемой создания наилучшей и наиболее эконо-
мичной машины. Поиски коэффициента полезного действия
идеальной машины, в которой устранены все необратимые
процессы (трение, теплопроводность, излучение) и обра-
тимо осуществляется выравнивание температур, привели
к открытию второго начала термодинамики. Второе нача-
ло термодинамики — это формула для КПД идеальной
машины; запрет вечного двигателя второго рода, работаю-
щего только за счет охлаждения одного тела без каких-
либо других изменений в заданной системе тел; утвержде-
ние, что тепло не может перетечь само собой от холодного
тела к горячему; утверждение, что энтропия в теплоизо-
лированной системе возрастает и т. д.
Первое начало термодинамики было открыто позднее
второго. Труды ряда экспериментаторов и теоретиков
(Р. Майер, Джоуль, Гельмгольц и др.) привели к выводу,
который можно сформулировать так: тепло, подведенное
к системе тел, расходуется на изменение внутренней энер-
гии и на работу, которую совершает система тел. Таким
образом, первое начало — это конкретная форма закона
сохранения энергии.
* Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по
физике, т. с. 64.
79
Третье начало термодинамики (теорема Нернста) за-
прещает осуществление таких процессов, в результате
которых мог бы быть достигнут абсолютный нуль темпера-
туры.
Подобно тому как законы Ньютона образуют фунда-
мент механики, начала термодинамики — основа раздела
теоретической физики, в котором рассматриваются общие
свойства физических систем при равновесии и общие за-
кономерности, которые присущи установлению равнове-
сия. Ценность термодинамики в том, что она позволяет
многое узнать о веществе, отвлекаясь от деталей его внут-
реннего строения.
Термодинамика как наука, обладающая большой пред-
сказательной силой, возникла и оформилась задолго до
появления современной физики микромира. Удивительно
широк круг подведомственных термодинамике вопросов:
ведь законы термодинамики применимы к любым систе-
мам — и к веществу, и к системам, включающим электри-
ческие и магнитные поля, и к излучению. Поэтому термо-
динамика прочно вошла в физику газов и в физику конден-
сированных тел, внедрилась в химию и технику, стала
необходимой в геофизике и науке о Вселенной.
С решением многих проблем связан весомый и зримый
вклад термодинамики в познание физики Вселенной. К
наиболее важным из таких проблем относятся теория
звездных атмосфер и теория внутреннего строения звезд.
Излучение звезд рождается в их недрах. Мы узнаем
о нем, когда оно покидает «сферу света»— фотосферу звез-
ды. Фотосфера сравнительно тонка: протяженность сол-
нечной фотосферы несколько сотен километров (при ради-
усе Солнца около 700 тыс. км). Вещество фотосферы обла-
дает малой теплопроводностью, далеко не самую главную
роль играют в фотосфере также конвективные процессы.
Поэтому лучистый перенос — основной процесс переноса
энергии в фотосфере. Именно этот процесс изучается в те-
ории фотосфер, а результаты сравниваются с полученны-
ми из наблюдений данными о распределении энергии в не-
прерывном спектре Солнца и других звезд.
При построении теории считается, во-первых, что ат-
мосферы спокойных звезд находятся в состоянии лучисто-
го равновесия, т. е. каждый элемент объема излучает столь-
ко энергии, сколько поглощает. Во-вторых, предполагается,
что вещество в элементарном объеме фотосферы находит-
80
ся в термодинамическом равновесии. Когда такое равнове-
сие достигается внутри полости, стенки которой на-
греты до определенной температуры, то возникающее из-
лучение называется равновесным, его интенсивность не за-
висит ни от индивидуальных свойств полости, ни от места,
ни от направления. При заданной частоте оно является
лишь функцией температуры. Однако в действительности
даже в малых объемах реальных фотосфер звезд все ока-
зывается значительно сложнее. Поэтому гипотеза о локаль-
ном термодинамическом равновесии есть некоторое упро-
щение, необходимое для построения теории.
Поле излучения при термодинамическом равновесии
хорошо изучено. Одно из самых общих свойств равновес-
ного излучения выражается законом Кирхгофа, согласно
которому отношение коэффициента излучения к коэффи-
циенту поглощения равно интенсивности излучения. Фор-
мула интенсивности равновесного излучения была впер-
вые получена Планком и дает выражение для универсаль-
ной функции от частоты и температуры. Из формулы Планка
автоматически получаются известные законы излуче-
ния абсолютно черного тела. Это, во-первых, закон Вина,
характеризующий смещение максимума кривой теплово-
го излучения Хтах*Т = 0,2898 см*К. Во-вторых, закон
Стефана — Больцмана, согласно которому излучение каж-
дого квадратного сантиметра площади поверхности абсо-
лютно черного тела пропорционально четвертой степени
температуры (е = оТ4, где а = 5,67 *10~12 Вт/см2*град4).
Получаемое из теории фотосфер распределение энер-
гии в непрерывном спектре в общих чертах сходно с план-
ковским распределением. Сходство увеличивается, когда
строится теория с учетом зависимости коэффициента по-
глощения от частоты излучения. Эта зависимость сложна
и различна у разных атомов. По-видимому, наибольшую
роль в фотосферах Солнца и подобных ему звезд играет
поглощение отрицательными ионами водорода (Н~— это
атом водорода с присоединившимся к нему электроном).
Уравнения теории звездных атмосфер позволяют полу-
чить не только близкое к реальному распределение энер-
гии в непрерывном спектре звезды, но и построить модель
фотосферы, т. е. зависимость температуры и плотности
от глубины погружения для звезд различных спектраль-
ных классов. Современная теория звездных атмосфер соз-
дана трудами многих крупных ученых, среди которых до-
81
стойкое место занимают работы советских астрофизиков —
академика В. А. Амбарцумяна, членов-корреспондентов
АН СССР Э. Р. Мустеля и В. В. Соболева.
В последние годы было получено немало фотографии
фотосферы с помощью телескопов, которые неоднократно
поднимались на воздушных шарах. На них отчетливо вид-
ны гранулы — множество неправильных многоугольни-
ков, их размеры — сотни километров, а время жизни око-
ло 8 мин. Такова видимая картина грандиозной конвек-
ции, происходящей в подфотосферных слоях Солнца. Как
уже отмечалось, существование конвекции свидетельству-
ет о том, что лучеиспускание — основной, но не единствен-
ный способ переноса энергии в фотосфере Солнца и звезд.
Термодинамическое равновесие действительно локальное,
а не глобальное состояние вещества в фотосфере.
Здесь уместно сделать общее замечание об условности
метода «моделей»: создавая модели фотосферы звезды, внут-
реннего строения небесных тел или «всей» Метагалактики,
ученые стремятся не к построению точной копии небесных
тел или их систем, а к выявлению основных закономерно-
стей, понимание которых уже сейчас дает нам правильное
представление о природе космических объектов и их сис-
тем.
Рассмотрим более подробно вопрос о конвекции в звез-
дах, так как это весьма эффективный процесс переноса
энергии внутри звезд различных типов, особенно неста-
ционарных. Конвективные зоны имеют различную протя-
женность у звезд, расположенных в разных местах диаграм-
мы «спектр — светимость». Их протяженность различна
и у звезд, находящихся в разных местах главной последо-
вательности. Например, Солнце, расположенное в средней
части главной последовательности, имеет конвективную
зону, примерно начинающуюся на расстоянии V3 радиуса
от поверхности. Значит, энергия, вырабатывающаяся в
центральной области солнечного шара, должна сначала
переноситься каким-то неконвективным способом. Это
и есть лучистый перенос. Но вещество, находящееся внут-
ри Солнца, чрезвычайно препятствует лучистому переносу
энергии. Излучению приходится очень долго «мучиться»,
постепенно просачиваясь сквозь новые и новые непрозрач-
ные слои солнечного вещества. Наконец, спустя примерно
миллион лет, излучение добирается до конвективной зо-
ны. Дальше дело идет гораздо быстрее. Конвективные
82
потоки устремляются к фотосфере Солнца со скоростью нес-
кольких десятков метров в секунду, т. е. значительно быст-
рее лифтов в высотных зданиях. С подъемом скорость кон-
вективных потоков растет, достигая в подфотосферных сло-
ях 1—2 км/с. Газовые массы, выполнив задачу по переносу
тепловой энергии, охлаждаются и снова ныряют в глуби-
ны Солнца, чтобы помочь лучистому переносу.
Термодинамика Солнца и звезд имеет и другие замеча-
тельные особенности. Стационарная звезда представляет
саморегулирующуюся тепловую машину, которая под-
держивает постоянную светимость звезды. Дело в том, что
звезда как целое обладает отрицательной теплоемкостью
(хотя вещество звезды, как и любое вещество в земных
условиях, имеет положительную теплоемкость). Поэтому
если в звезде вдруг начнет выделяться дополнительная
энергия, то ее температура будет понижаться. Если же
почему-либо энерговыделение в звезде уменьшится, то тем-
пература поднимется. Почему же так странно реагирует
звезда на охлаждение и нагревание? Оказывается, при
выделении дополнительной энергии в недрах звезды про-
исходит как бы ее мгновенная перестройка: звезда расши-
ряется и переходит в новое состояние механического рав-
новесия. На такую перестройку затрачивается не только
вся дополнительная энергия, послужившая причиной пе-
рестройки, но и часть неприкосновенных запасов обычной
внутренней энергии звезды. В результате звезда охлаж-
дается, механизм генерации энергии начинает работать
в своем обычном ритме и с обычной эффективностью, а по-
тому звезда снова возвращается к состоянию теплового
и механического равновесия.
А чем же компенсируется недостаточное энерговыделе-
ние? Что выручает звезду, внутри которой почему-то ста-
ло выделяться меньше энергии? На помощь приходит гра-
витационная энергия, которая при сжатии звезды превра-
щается в тепловую. Очевидно, что при перегреве звезды
и ее расширении избыток тепловой энергии запасается
в виде потенциальной энергии гравитации. Такова еще одна
важная функция гравитации в жизни звезд.
В 1921 г. английский астрофизик А. Эддингтон постро-
ил стандартную модель строения звезды. Ему приписыва-
ют слова о том, что «нет ничего проще звезды». В какой-то
степени это справедливо, ведь астрофизики, зная лишь
массу, радиус и светимость звезды и учитывая условия в ее
• 83
поверхностных слоях (граничные условия задачи), созда-
ют модель внутреннего строения звезды, т. е. рассчитыва-
ют распределение плотности, давления., температуры и хи-
мического состава внутри звезды. Главное, что требуется
для такого проникновения в недоступные наблюдениям
звездные глубины,— это известные нам законы физики,
прежде всего закон всемирного тяготения, и важнейшие
термодинамические соотношения. Один из основных вы-
водов, который удалось получить еще Эддингтону, гла-
сил, что должна существовать зависимость «масса — све-
тимость»: светимость звезды пропорциональна ее массе
(L ос 7И3’9) и однозначно определяется ею. По крайней
мере у звезд главной последовательности подобная зави-
симость действительно существует. Общепризнано, что
соотношение «масса — светимость» отражает фундамен-
тальную закономерность в мире звезд.
Со времени первых расчетов моделей звезд теория внут-
реннего строения звезд шагнула далеко вперед. Примене-
ние ЭВМ позволило детально рассчитать многие сотни
моделей для звезд с различными массами — от самых ма-
лых, при которых газовый шар еще может стать звездой
(менее одной десятой массы Солнца), до самых массивных
звезд, тяжелее которых не бывает (массы наблюдаемых во
Вселенной звезд не превосходят нескольких десятков сол-
нечных масс). Астрофизики считают, что эти модели пра-
вильно отражают главные особенности строения звезд.
Но всякого рода тонкостей в этой работе больше, чем до-
статочно. И еще долго будет оставаться актуальной разра-
ботка более детальных моделей, учитывающих возраста-
ние знаний о звездах и о физических процессах, которые
могут происходить в их недрах. Над проблемами внутрен-
него строения звезд и проблемами звездной эволюции ус-
пешно трудится ряд советских и зарубежных специа-
листов.
На первый взгляд кажется парадоксальным, что чело-
век, получив вполне достоверные знания о строении звезд,
до сих пор не преодолел трудности, связанные с исследова-
ниями недр Земли, Луны, планет солнечной системы. Ока-
залось проще понять далекие звезды, чем детально иссле-
довать недра Земли. Между тем изучение недр Земли имеет
огромное практическое значение. Не зря с их исследо-
ваниями связываются надежды на прогнозирование земле-
трясений и извержений вулканов, на создание надежной
84
научной основы для поиска полезных ископаемых и т. д.
Трудности исследования внутреннего строения Земли,
Луны и планет земной группы в значительной мере обу-
словлены тем, что пока еще нельзя теоретическим путем
найти уравнение состояния р =р (V, Т) для твердых тел
и вообще вещества при высоком давлении. Поэтому-то ос-
новой геофизических исследований являются различные
экспериментальные методы и среди них первое место при-
надлежит сейсмическому методу.
Русский физик и геофизик академик Б. Б. Голицын
(1862—1916) — один из основателей сейсмологии — от-
мечал, что землетрясение можно сравнить с фонарем, на
мгновение освещающим недра Земли. Сейсмический метод
«просвечивания» планеты стал одним из классических
методов изучения строения Земли. Анализ распростране-
ния сейсмических волн привел к общепринятому сейчас
разделению Земли на кору, мантию и ядро. Граница меж-
ду корой и мантией — «граница Мохоровичича»— была
открыта в 1909 г. Она располагается на глубине от 10 км
в океанических областях до нескольких десятков километ-
ров в континентальных областях. Граница между мантией
и ядром (иногда называемая «границей Гутенберга») от-
крыта в 1914 г. Она расположена на глубине около
2900 км. Позднее строение Земли стало известно более
детально.
Но информацию о недрах Земли геофизики черпают не
только из сейсмологии. Важные сведения о распределении
масс и плотности внутри тела Земли поставляет гравимет-
рия; не ограничиваясь регистрацией природных сейсми-
ческих волн, ученые стали исследовать распространение
волн, возникающих в результате взрывов. Подобное зон-
дирование применяется не только на Земле: соответствую-
щие эксперименты выполнялись американскими астронав-
тами и на Луне.
Современная геофизика, создав в общих чертах меха-
ническую модель Земли, приступила к построению ее тер-
модинамической модели. Здесь ученым пригодились дости-
жения физики высоких давлений. В лабораторных экспе-
риментах с ударными волнами уже получено давление,
превосходящее то, которое существует вблизи центра Зем-
ли. Это позволило экспериментальным путем прийти к
уравнению состояния вещества при огромных давлениях.
Таким образом термодинамическая модель внутреннего
85
строения Земли будет в значительной мере основываться
на данных экспериментальной термодинамики. В рамках
этой модели найдет разрешение и давний спор о составе
земного ядра. Похоже на то, что экспериментальные дан-
ные свидетельствуют в пользу железного ядра, а не ядра
из силикатов, металлизированных под воздействием ко-
лоссального давления. А о том, что земное ядро «жидкое»,
стало достоверно известно еще на заре сейсмических наб-
людений, показавших, что через него не проходят попереч-
ные волны.
Опыт, накопленный геофизиками в исследовании нашей
планеты, помогает разрабатывать модели внутреннего
строения планет солнечной системы. Но исходных дан-
ных здесь, конечно, меньше. Поэтому пока можно гово-
рить лишь о самой общей картине внутреннего строения
других планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс).
Строение планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уращ
Нептун) несколько прояснилось благодаря прогрессу
в области экспериментального и теоретического исследо-
ваний свойств водорода. При давлении 13 ат и температу-
ре —240°С водород становится газожидким, затем, повы-
шая давление при постоянной комнатной температуре,
можно получить жидкий водород. Водород становится
твердым при давлении 10 тыс. ат. При 3 млн. ат он превра-
щается в металлический водород, приобретая присущую
металлам электропроводность, ковкость и блеск. Давление
свыше 100 млн. ат превращает твердый металлический
водород в жидкий металлический водород.
Расчеты показывают, что на Юпитере температура всю-
ду выше температуры плавления сжатого молекулярного
и металлического водорода и гелия. Там водород может
находиться в виде газожидкого, а на некоторой глубине
и в виде расплавленного металлического водорода. Не
исключено, что у планет-гигантов есть ядро. Например,
Юпитер может иметь железокаменное ядро, размеры кото-
рого близки к размерам земного шара. Основной же хими-
ческий состав Юпитера —«звездный», т. е. водород и ге-
лий; более тяжелых элементов там очень мало.
Вот с каким необъятным кругом физики небесных тел
приходится иметь дело земной термодинамике, которая
всего полтора столетия назад возникла из совсем земных
трудов Сади Карно. «В стакане вина,— пишет Р. Фейн-
ман,— откроется нам вся Вселенная, стоит только загля-
86
путь в него поглубже». И поясняет (видимо, во избежание
недоразумений): «Стакан вина — штука достаточно слож-
ная, есть там и влага, и стекло, и свет, и еще многое дру-
гое» *.
МАГНИТОГИДРОДИНАМИКА
«Того же лета бысть знамение в Солнце, места черны по
Солнцу аки гвозди...»,— читаем в Никоновской летописи
за 1371 г. Сейчас трудно что-либо сказать о чувствах, вла-
девших летописцем в момент, когда он шесть веков до нас
писал эти слова. Но вот в октябре 1969 г. можно было
встретить людей, возбужденных тем, что они невооружен-
ным глазом отчетливо видели пятна на диске приближав-
шегося к заходу светила. Не случайно фотографии «пя-
тен, которые мог видеть каждый», были опубликованы в
научно-популярном журнале АН СССР «Земля и Вселен-
ная» **. Вообще же начиная со времен Галилея известно,
что и на Солнце есть пятна, а добросовестные выпускники
наших средних школ могут отчеканить: «Пятна — это наб-
людаемые на поверхности Солнца облака охлажденного
газа, температура которого ниже окружающей фотосфе-
ры». Обычно после такого ответа сразу появляется заслу-
женная «пятерка», но иногда ее получению предшествует
примерно такой диалог:
Учитель (расставляя ловушку): И много бывает на
Солнце пятен?
Ученик (пока не подозревающий об опасности): В годы
максимума солнечной активности — очень много.
Учитель (с наигранной настороженностью): Значит,
наше Солнце охлаждается?
Ученик (бодро г разгадав коварство вопроса): Нет! Пят-
на ведь просто так появляются и бесследно исчезают,
а Солнце наше будет светить еще долго-долго...
И все же на вопрос, почему на Солнце временами появ-
ляются пятна, ответить не очень просто. Визуальные и фо-
тографические наблюдения позволяют детально изучить
строение и динамику развития пятен. Их спектр дает све-
дения о температуре, физическом состоянии и направлении
движения вещества в них, а также о магнитных полях пя-
* Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по
физике, т. 4, с. 151.
*♦ «Земля и Вселенная», 1970, К® 2, с. 90—91.
87
тея. Ясно, что пятна порождены конвекцией, но как свя-
зать друг с другом магнитное поле, конвекцию и возникно-
вение пятен?
Магнитное поле не влияет на движение нейтрального
водорода, но оно может иметь определяющее значение для
движения ионизованного газа. В частности, сильное маг-
нитное поле способно замедлить конвекцию, что и приня-
то считать причиной охлаждения вещества в солнечных
пятнах. Сильное магнитное поле сковывает ионизованный
газ, превращая пятна из солнечных циклонов (как их час-
то называли исследователи в 50-х годах) в магнитные остро-
ва, окруженные турбулентной фотосферой. Слабое поле,
наоборот, ускоряет конвекцию, и в тех местах Солнца,
где такое поле возникает, появляются более горячие участ-
ки — фотосферные факелы. Теория происхождения пятен
и факелов сложна и во многом еще далека от завершения,
но в основе физики этих явлений лежит анализ движения
конвективных потоков ионизованного газа в магнитном
поле.
Еще более наглядно магнитное поле на Солнце прояв-
ляет себя в явлениях, разыгрывающихся в атмосфере
Солнца. Постарайтесь, когда представится случай, по-
смотреть кинокадры, запечатлевшие развитие протуберан-
цев. Такие кинофильмы в настоящее время есть не только
во многих обсерваториях, занимающихся службой Солн-
ца; кадры, показывающие физические процессы на Солн-
це, включены в различные научно-популярные фильмы по
астрономии. В них отчетливо видно движение вещества
протуберанцев по силовым линиям магнитных полей.
Таким образом, для понимания физических процессов,
происходящих во Вселенной, необходим переход от газа
к плазме, от механики (гидродинамики) и термодинамики
к электродинамике и магнитогидродинамике.
По выражению английского астрофизика Дж. Данжи,
мы живем в «пузырьке» почти неионизованного газа. Это
весьма необычная ситуация во Вселенной, в которой, как
мы знаем, преобладают излучение, а также плазма
(т. е. газ, значительная часть атомов или молекул которо-
го ионизована), но не твердые планеты. Уже верхние слои
атмосфер Земли и планет содержат ионизованный газ,
а «холодная» и «горячая» плазма встречается в Космосе
повсюду. Плазменную природу имеют радиационные поя-
са планет, плазма находится в межпланетном и межзвезд-
88
пом пространстве, звезды — это тоже скорее плазменные
чем газовые шары. Наконец, Вселенную буквально про-*
низывают потоки электрически заряженных частиц —
космические лучи. Потому и велик интерес к космической
плазме, которая представляет собой самую распространен-
ную форму существования вещества.
В физику понятие плазмы было введено в 20-х годах
учеными, занимавшимися исследованием процессов в газо-
разрядных трубках. В астрофизику понятие плазмы внед-
рилось значительно позднее. Академик В. Л. Гинзбург
и член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский в 1946 г.
впервые обратили серьезное внимание на роль плазмен-
ных процессов в физике Солнца, и благодаря их работам
советские ученые оказались у истоков плазменной астро-
физики. Электродинамика проводящего газа получила
свое дальнейшее развитие в астрофизике лишь в 60-е годы,
когда благодаря широкому фронту теоретических и эк-
спериментальных работ сформировалась земная физика
плазмы.
Плазма — четвертое по счету и первое по космической
распространенности состояние вещества — находится
в двойном подчинении. Будучи газом, она обязана следо-
вать законам газовой динамики и термодинамики. Пред-
ставляя собой смесь ионов и электронов, она вынуждена
соблюдать предписания электродинамики.
К своенравным свойствам земной плазмы, а среди них
особое место занимают подвижность, неустойчивость, при-
верженность к самым различным типам волновых движе-
ний ит. д., добавляются особенности, присущие космичес-
кой плазме. Гигантские масштабы космической лаборато-
рии, как правило, не ограничивают плазму стенками,
которые неизменно стесняют ее в земных лабораториях,
увеличивая неоднородность и неустойчивость. Космическая
плазма встречается в спокойном и турбулентном состоя-
нии. По мнению советских астрофизиков С. А. Каплана
и В. Н. Цытовича, турбулентность плазмы, порожденная
космическими взрывами и излучениями, обусловливает
и спектр энергии релятивистских частиц, и их концен-
трацию, и мощное радиоизлучение. Наличие быстрых и ре-
лятивистских частиц характерно для многих плазменных
процессов во Вселенной, космические масштабы даже сла-
бых полей обеспечивают ускорение частиц до очень высо-
ких скоростей и энергий.
89
Особую роль в космической лаборатории играет взаи-
модействие плазмы с излучением. Подробнее мы расска-
жем об этом в следующем параграфе, а здесь лишь заме-
тим, что в космической плазме распространяются волны
самых различных частот. Эти волны также ускоряют час-
тицы, отдавая космической плазме свою энергию.
Космические масштабы позволяют с известным приб-
лижением считать плазму идеальным проводником, прово-
димость которого неограниченно велика. Для такой прово-
дящей жидкости, модель которой обычно используется
при анализе медленных процессов в плазме и в которой
не рассматривается движение отдельных частиц, справед-
ливы основные законы магнитной гидродинамики. Их три:
закон вмороженности магнитного поля, закон магнитного
давления и закон диффузии магнитного поля.
Из школьной физики известен открытый Фарадеем за-
кон электромагнитной индукции: изменение магнитного
потока через замкнутый контур порождает электродвижу-
щую силу в контуре. Но в Космосе нет металлических
жестких контуров. Можно лишь мысленно выделять в про-
водящей космической плазме силовые трубки, начинен-
ные, подобно многожильному кабелю, пучками силовых
линий магнитного ноля. Сечение таких трубок (или число
силовых линий, содержащихся в пучке) характеризует
напряженность магнитного поля. Вмороженность силовых
линий в проводящую среду означает, что всякое движение
ее увлекает силовые линии. Очевидно, это есть следствие
закона электромагнитной индукции для идеального про-
водника: в таком проводнике сколь угодно малая электро-
движущая сила должна вызывать бесконечно большой ток
и, чтобы не случилось невозможное, проводник должен
двигаться, не пересекая силовых линий.
Второй закон магнитогидродинамики связан с первым,
так как магнитное давление проявляется при всяком на-
рушении равномерного распределения магнитных сило-
вых линий, причем сила магнитного давления направлена
в сторону уменьшения магнитного поля. Магнитное давле-
ние столь же реально, как и механическое давление, дав-
ление радиации или обычное газовое давление.
А теперь вновь обратимся к идеально проводящей жид-
кости, приклеенной к магнитным силовым линиям. Пос-
ледние теперь можно себе представить как упругие стру-
ны, которые, будучи выведенными из состояния равнове-
90
сия, начинают колебаться, возбуждать в плазме особый
вид волн — магнитогидродинамические волны. Такие вол-
ны были чисто теоретически сконструированы в конце 40-х
годов известным шведским ученым X. Альвеном — ино-
странным членом Академии наук СССР. Вскоре после от-
крытия магнитогидродинамических волн их удалось вос-
произвести в лабораторных условиях. Они были возбужде-
ны в ртути, находившейся в сильном магнитном поле (Н =
= 105 Э). Волны Альвена — частный случай электромаг-
нитных волн. Их скорость может быть на десять порядков
меньше скорости света.
Конечно, кроме альвеновских волн в плазме, как уже
отмечалось, немало и других волн. Но, например, в усло-
виях, господствующих на Солнце, магнитогидродинами-
ческие волны должны быть довольно распространенными.
Мысль о большой роли магнитогидродинамических волн
в физике Солнца была высказана Альвеном раньше, чем
эти волны были впервые экспериментально обнаружены
в лабораторных условиях. Теперь при анализе многих фи-
зических процессов на Солнце алъвеновские волны рас-
сматриваются наряду со звуковыми, магнитно-звуковыми
(ускоренными и замедленными) и другими видами волно-
вых движений.
Волновыми процессами объясняется тот, казалось бы,
странный факт, что в хромосфере и короне Солнца темпе-
ратура выше, чем в фотосфере. Волновые движения, зату-
хая в верхних слоях солнечной атмосферы, переносят
в хромосферу и корону энергию из фотосферы. Но мы уже
знаем, что запасы энергии фотосферы пополняются кон-
вективными процессами, в результате которых энергия
из глубин поднимается к поверхности Солнца. Значит,
волны, нагревающие хромосферу и корону, доставляют
в эти слои солнечной атмосферы энергию подфотосферных
слоев.
Магнитное поле — первооснова активных процессов
на Солнце. Пока еще не очень ясно, как в результате цир-
куляции плазмы в глубинах Солнца возникают на нем мест-
ные магнитные поля. Но всем ясно, как велика роль маг-
нитных полей в физике пятен, факелов, хромосферных
вспышек, протуберанцев и в других явлениях, наблюдаю-
щихся на всех ярусах атмосферы Солнца — от фотосферы
до короны. Известно, что тяжелые протуберанцы букваль-
но висят на магнитных силовых линиях, а корональные
91
образования, расположенные на громадной высоте над
фотосферой, вращаются с той же угловой скоростью, что
и находящиеся под ними участки фотосферы, и длитель-
ное время сохраняют свою форму. Значит, магнитное поле
центров активности достаточно сильно, чтобы удерживать
все это многоярусное строение. Сосредоточенная в маг-
нитном поле энергия очень велика. Достаточно вспомнить,
что из нее черпают энергию хромосферные вспышки —
взрывы в атмосфере Солнца, сравнимые со взрывом мил-
лиарда водородных бомб и имеющие разнообразные гео-
физические проявления.
Как правило, общее магнитное поле звезд типа Солнца
невелико (Н ~ 1 Э) и даже трудно уловимо (хотя его на-
пряженность много больше напряженности магнитного
поля межзвездной среды, где Н ~ 10~5 Э). Редко встре-
чаются звезды, у которых напряженность поля достигает
103—104 Э, т. е. на три-четыре порядка выше, чем напря-
женность общего магнитного поля Солнца. Но при некото-
рых обстоятельствах напряженность поля звезды может
резко возрасти. Академик В. Л. Гинзбург немногим боль-
ше десяти лет назад впервые указал на то, что сжатие мас-
сивной звезды, потерявшей равновесие, должно сопровож-
даться усилением напряженности магнитного поля. По-
добное явление — следствие вмороженности силовых ли-
ний: магнитные силовые линии звезды до сжатия были
столь же густы, как и волосы на голове изрядно облысев-
шего человека. При сжатии звезды силовые линии сбли-
зились, благодаря чему крохотная звезда приобретает
роскошную густую шевелюру из магнитных силовых ли-
ний. Напряженность поля при сжатии меняется по закону
Н ос 2?~2 и может достичь в случае пульсаров 1011—1014 Э.
ЧАСТИЦЫ ВЕЩЕСТВА И ИЗЛУЧЕНИЯ
Любуясь картиной звездного неба, мы думаем не только
о беспредельности Вселенной, но и об огромных расстоя-
ниях, на которые удалены друг от друга даже самые близ-
кие звезды. Особенно трудно представить эти расстояния,
когда мы видим полосу Млечного Пути или рассматриваем
фотографию шарового звездного скопления. А разве легче
вообразить пустоту между элементарными частицами, из
которых состоит кусок железа? Но дискретность распре-
92
деления вещества во Вселенной и микромире — фундамен-
тальный факт: он не следует из «здравого смысла», он один
из итогов научного познания.
Лишь в отдельных случаях видно, что пространство
между звездами не пусто: вспомните, как облака темной
материи раздваивают на рукава Млечный Путь в созвездии
Лебедя или как выглядит Конская Голова в Орионе. Во-
обще же чрезвычайно разреженное межпланетное и меж-
звездное вещество невидимо. Сейчас астрономы уверенно
заявляют, что межзвездная материя на 99% состоит из
газа, и лишь 1% ее — межзвездная пыль, являющаяся
виновницей поглощения света и ошибок в определении
масштабов Вселенной. А ведь не так давно межзвездная
пыль играла роль привидений, посещавших астрономов.
Эддингтон сравнивал астрономов с гостями, которые не
верят в привидения, но боятся спать в комнате, где приви-
дения бывают. Невидимые пылинки межзвездной среды
вызывают рассеяние, поглощение и поляризацию света
звезд, препятствуют прямолинейному распространению
света, поглощая, преломляя и отражая его, а также вызы-
вая дифракцию света. Крошечные кристаллики льда или
графитовые частицы, составляющие межзвездную пыль,
весьма активно ослабляют свет звезд, иногда на несколь-
ко звездных величин.
Взаимодействие с излучением не проходит бесследно
и для самих пылинок, особенно для тех, которые находят-
ся вблизи звезд. Им приходится испытывать на себе воз-
действие светового давления, сила которого может быть
сравнима с гравитационным и даже превосходит его. По-
глощенные частицей фотоны передают ей свой импульс.
Но если частица находится на орбите вокруг звезды, то
момент количества движения ее уменьшится, а сама орби-
та будет постепенно превращаться в спираль, двигаясь
по которой частица в конце концов упадет на звезду (эф-
фект Пойтинга — Робертсона).
Пылинки, поглощающие излучение звезд, должны на-
греваться. Представим себе пылинку, которая находится
вдали от звезд. Ее температура определяется из условия
равновесия между энергией, поглощаемой и излучаемой
пылинкой. Если принять, что свойства пылинки близки
к свойствам абсолютно черного тела, то можно вычислить
ее температуру, равную 2—3 К. Реальным пылинкам пола-
гается иметь более высокую температуру.
93
Еще выше должна быть температура у частиц газа, ко-
торые в отличие от пылинок не могут излучать энергию не-
прерывно и охлаждаются лишь при столкновениях и ре-
комбинации.
Как мы уже знаем, в межзвездной среде газа больше,
чем пыли. Сведения о его химическом составе и простран-
ственном распределении астрономы получили из назем-
ных спектральных и радионаблюдений, а также из
внеатмосферных спектральных наблюдений. И. С. Шклов-
ский в 1948 г. впервые обосновал возможность наблюде-
ния нейтральных атомов водорода на волне 21 см. Пред-
сказано это излучение было в 1945 г. студентом Лейден-
ского университета (Голландия) ван де Хюлстом. Позднее
И. С. Шкловский и его ученик доктор физико-матема-
тических наук Н. С. Кардашов предсказали существова-
ние и некоторых других радиолиний.
В настоящее время в межзвездной среде удалось об-
наружить не только различные атомы и ионы, но и мо-
лекулы. Среди них встречаются молекулы гидроксила
(ОН), аммиака (NH3), воды (Н2О), окиси углерода (СО),
формальдегида (НСОН), синильной кислоты (HCN), ме-
тилового спирта (СН8ОН) и др. Открытие около 30 мо-
лекулярных соединений в межзвездной среде имеет очень
важное значение для астрофизики и космогонии и для
теории происхождения жизни.
В относящейся к 60-м годам истории открытия молеку-
лы ОН, предварительно названной «мистериум», есть
много общего с уже известной* нам историей «небулия» и
«корония». Подобно тому как «небулий» оказался обык-
новенным воздухом, а «коровий» — многократно иони-
зованным железом, «мистериум» был объяснен необычным
свечением молекул гидроксила. Само название «мисте-
риум» подчеркивало необычность нового открытия и воз-
можность существования какой-то особой субстанции,
ответственной за излучение загадочных спектральных
линий в радиодиапазоне. Линии гидроксила излучаются
источниками, расположенными на периферии некоторых
газовых туманностей. Размеры этих источников, содер-
жащих ионизованный водород, на порядок превышают
размеры солнечной системы. Многочисленные странности
гидроксильного излучения как будто бы находят свое
объяснение с позиций современной квантовой радиофизи-
ки: источники излучения ОН — это мазеры Вселенной.
94
в них роль пока еще загадочных генераторов накачки
энергии может играть, согласно одной из гипотез, ультра-
фиолетовое излучение горячих звезд, находящихся внут-
ри газовых туманностей. Вскоре после открытия «мисте-
риума» И. С. Шкловский предложил гипотезу, связы-
вающую необычное излучение гидроксила с образованием
звезд. Он обратил внимание на то, что обнаруженное в
источниках «мистериума» магнитное поле значительно
сильнее обычного для межзвездной среды. Но как раз
такое поле могло возникнуть при конденсации газовой
среды. В этих условиях накачку могли бы обеспечить
кванты инфракрасного излучения.
Теперь от микроскопических твердых частичек меж-
звездной среды и встречающихся в этой среде ионов, атомов
и молекул перейдем к электронам. В отличие от меж-
звездной пыли они не мешают астрономам изучать Вселен-
ную, а в отличие от атомов нейтрального водорода «не
помогают» ученым, но оказываются причастными к разнооб-
разным процессам, сопровождающим некоторые явления
в атмосфере Солнца и магнитосфере Юпитера, вспышки
сверхновых звезд, взрывы в ядрах галактик, загадочные
явления в квазарах и т. д.
Электроны оповещают о своем присутствии излучени-
ем. Излучение электронов высоких энергий хорошо из-
вестно физикам. Ведь это оно ограничивает энергию элект-
ронов, ускоренных в синхротронах, и охлаждает плазму
в магнитных ловушках. А возникает это излучение преж-
де всего при движении электронов в магнитных полях.
Такое магнитно-тормозное излучение часто называют син-
хротронным (применительно к излучению электронов высо-
ких энергий) или циклотронным (излучение нерелятивист-
ских электронов).
Представим себе нерелятивистский электрон, движу-
щийся в однородном магнитном поле. Он будет двигаться
по винтовой линии, охватывающей магнитные силовые ли-
нии. Угловая частота его пропорциональна напряжен-
ности магнитного поля, и с этой частотой электрон излу-
чает, подобно диполю. Такое излучение не имеет избран-
ного направления, оно изотропно.
Иная картина наблюдается при движении релятивист-
ского электрона. Его излучение сосредоточено в узком
пучке, в пределах конуса, мгновенная ось которого на-
правлена вдоль вектора скорости электрона. Располо-
05
явившись в плоскости орбиты релятивистского электрона,
наблюдатель будет регистрировать импульсы излучения,
длящиеся до тех пор, пока конус излучения проходит че-
рез наблюдателя. Излучая непрерывный спектр, элект-
рон теряет свою энергию, причем энергетические потери
на излучение растут с увеличением энергии электрона.
Характерная особенность магнитно-тормозного излуче-
ния космических электронов — поляризация, наблю-
даемая в радио- и оптическом диапазоне. Ее направлен
ние определяется направлением магнитного поля, в кото-
ром движется электрон. Обнаружение поляризации в из-
лучении какого-либо космического объекта рассматри-
вается как доказательство, что его излучение порождено
тормозным излучением и что в хаотическом распределе-
нии магнитных полей есть какое-то избранное направление.
Классический пример объекта, излучение которого интер-
претируется как магнитно-тормозное излучение реляти-
вистских электронов,— Крабовидная туманность, достав-
шаяся нам в наследство от сверхновой, вспыхнувшей в
1054 г. в созвездии Тельца. В обосновании этой замеча-
тельной интерпретации, позволяющей объяснить излуче-
ние Крабовидной туманности во всех диапазонах длин
волн, особая заслуга принадлежит И. С. Шкловскому.
Как уже говорилось, релятивистские электроны быст-
ро «высвечивают» свою энергию. Но в центре Крабовид-
ной туманности находится пульсар, энергия вращения
которого может в принципе передаваться всей туманно-
сти. Исследования показывают, *что наблюдаемая свети-
мость пульсаров как раз соответствует той энергии, ко-
торая может быть получена за счет их вращения. Ясно,
что эта энергия обеспечивает и излучение самого пульсара
и энергетические расходы окружающей его туманности.
Принято считать, что магнитная ось пульсара наклонена
к оси вращения. Такая ситуация благоприятна для воз-
никновения переменного магнитного поля и генерации
электромагнитного излучения, уносящего энергию.
Как известно, пульсары были открыты именно как
источники импульсного радиоизлучения чрезвычайно вы-
сокой стабильности. По поводу механизма формирования
такого необычного радиоизлучения споры ведутся до сих
пор. Согласно одной из гипотез, радиоизлучение пульса-
ров объясняется мазерным эффектом. Мазерное излучение—
направленное! а это важно для объяснения наблюдаемой
96
картины радиовсплесков пульсаров. Предполагается, что
выбрасываемые пульсаром частицы ускоряются в его маг-
нитном поле и впрыскиваются в плазму, окружающую
пульсар. Плазма возбуждается, а существовавшие в ней
колебания превращаются в электромагнитные волны.
Интенсивность этих волн, распространяющихся в возбуж-
денной плазме, будет усиливаться, обеспечивая наблю-
даемое излучение. Аналогия с мазерным или лазерным
механизмом здесь следующая. Во-первых, возбуждение
плазменных колебаний, порожденных нарушением равно-
весия между электронной и ионной составляющей плазмы,
соответствует заселению атомных возбужденных уровней.
Во-вторых, превращение плазменных колебаний в излуче-
ние соответствует переходу возбужденных атомов в более
низкое состояние. Если электронная концентрация в плаз-
менной оболочке пульсара 107-—1012 см“3, то частота
излучения как раз попадает в наблюдаемый радиодиапа-
зон _ 107—1010 Гц.
Мазерный механизм — не единственный возможный
механизм, который способен объяснить радиоизлучение
пульсаров. Работу этого механизма можно представить
себе несколько иначе. Можно, например, рассматривать
электромагнитную волну, которая магнитно-тормозным
способом возникла в достаточно плотной околопульсар-
ной плазме. Распространение такого уже направленного
излучения в плазме будет сопровождаться усилением его
интенсивности до необходимых значений. Пульсарные
процессы — пример взаимодействия вещества и излуче-
ния в необычных условиях космического пространства.
Задолго до открытия пульсаров было ясно, что радио-
излучение космических объектов может иметь нетепловую
природу. Уже в начале 50-х годов возникла мысль о том,
что синхротронное излучение, наблюдаемое в экспери-
ментах на синхротронах, и нетепловое радиоизлучение
небесных тел — родственные явления. Движение реля-
тивистских электронов в магнитных полях (пусть даже
очень слабых межзвездных полях) — то, что нужно для
формирования радиоизлучения,— в Космосе есть. Законы
природы едины: в ускорителе электрон с энергией 1 МэВ,
двигаясь в магнитном поле напряженностью 102 Э, излу-
чает радиоволны с частотой порядка 109 Гц. В области
космического пространства с напряженностью магнитного
поля 10~4 Э (характерная напряженность магнитного
4 Е. П, Левитан
97
поля в Галактике на один-два порядка ниже) такую же
частоту радиоизлучения обеспечит релятивистский элект-
рон, энергия которого порядка 102 ГэВ.
Существует еще один процесс взаимодействия излуче-
ния с веществом, имеющий столь же большое распростра-
нение в различных космических ситуациях, как и магнит-
но-тормозное излучение. Это комптон-эффект — рассеяние
высокоэнергичных квантов электромагнитного излу-
чения на свободных электронах. Сталкиваясь с электро-
ном, фотон передает ему часть своей энергии. Поэтому
прямой комптон-эффект играет существенную роль,
в частности, в процессах переноса лучистой энергии
в звездах. Значительную роль подобные процессы играют
и в тепловых источниках рентгеновского излучения. Но
для астрофизики, пожалуй, важнее обратный комптон-эф-
фект, при котором энергия передается от ультрареля-
тивистских электронов фотонам. В результате такого
процесса частота фотона резко возрастает, а значит, низко-
частотные кванты могут превратиться в кванты рентгенов-
ского и даже у-из лучения. Может ли такое излучение воз-
никнуть в магнитно-тормозной системе? Может, но для
этого требуются колоссальные (даже в космических мас-
штабах) энергии электронов.
Легко заметить сходство в самой физической сущно-
сти двух процессов магнитно-тормозного излучения и об-
ратного комптон-эффекта, представляющих собой генера-
цию излучения при колебаниях электронов высоких
энергий во внешних электромагнитных полях.
Два обстоятельства сыграли решающую роль в при-
знании фундаментальной роли обратного комптон-эффек-
та в астрофизике. Первое — открытие того факта, что кон-
центрация квантов во Вселенной значительно превышает
электронную концентрацию. Второе — возникновение
рентгеновской и у-астрономии, от которых обратный комп-
тон-эффект так же неотделим, как магнитно-тормозное из-
лучение от радиоастрономии. Обратным комптон-эффек-
том объясняются не только различные явления, сопро-
вождающие нетепловые процессы в отдельных небесных
объектах, но и фоновое рентгеновское излучение.
Под фоновым излучением понимают весьма разнообраз-
ные изотропные излучения, источники которых находятся
(или находились) за пределами нашей Галактики. Каж-
дый раз встает вопрос: как могло возникнуть то или иное
98
фоновое излучение? Согласно одной из гипотез, сущест-
вование рентгеновского фонового излучения связывают
с рассеянием фотонов дозвездного (реликтового) излуче-
ния на метагалактических электронах высоких энергий.
Мы очень кратко остановились лишь на некоторых
процессах взаимодействия вещества и излучения в косми-
ческих условиях. Но в космической среде происходит и
множество других процессов, которые проявляют себя в
макроскопических масштабах. Так, например, наблю-
дается рассеяние релятивистских электронов на инфра-
красных и оптических фотонах. Некоторые исследователи
считают, что этим объясняется возникновение у-излуче-
ния. Разумеется, частицы космической плазмы могут
сталкиваться не только с фотонами и ускоряться в маг-
нитных полях, но и соударяться между собой, например
электрон с ионом. Это может происходить и в облаках
межзвездного газа, и в атмосферах звезд. Результат по-
добных процессов — возникновение излучения, которое
принято называть тепловым и которое наблюдается в раз-
личных диапазонах длин волн.
Возникающие излучения становятся участниками но-
вых процессов и взаимодействий. Так, межзвездный газ,
поглощая жесткое электромагнитное излучение, дает
жизнь электронно-позитронным парам. А при аннигиля-
ции этих пар образуются у-кванты. Есть и другие способы
образования у-квантов; например, такое излучение воз-
никает при распаде нейтральных мезонов, которые по-
являются при столкновении космических лучей с ядрами
атомов межзвездного газа.
Как видим, в исследовании любого процесса во Все-
ленной тесно смыкаются космические проблемы с физи-
кой элементарных частиц. В каждом явлении, будь то
феномен пульсара или просто акт взаимодействия каких-то
частиц, которым довелось встретиться в необъятных про-
сторах Космоса, перед исследователем возникает ряд но-
вых вопросов и проблем. Такова природа.
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
«Лаборатория космических лучей» по праву может быть
названа «проблемной лабораторией» физиков во Вселенной.
Ведь именно в космических лучах были открыты позитрон
(е+), различные мезоны (ц, л, К), некоторые гипероны.
4*
99
Все это очень важные частицы. Достаточно сказать, что,
например, л-мезоны (пионы), открытые в 1947 г. и пред-
сказанные в 1935 г. Юкавой, оказались носителями ядер-
ных сил. Замечательные особенности присущи и другим
частицам, обнаруженным в космических лучах. В частно-
сти, К-мезоны и гипероны (Л, 2, Е), рождающиеся в
процессе сильных взаимодействий с характерным време-
нем 10"23 с, живут очень долго (10-8—10“10 с) и распадают-
ся в процессе слабых взаимодействий. Подобное поведение
так удивило физиков, что этим частицам, всегда рожда-
ющимся парами, пришлось присвоить необычное в науке
название — странные частицы. Физики ввели новое
квантовое число — странность, установили закон сохра-
нения странности при сильных взаимодействиях и т. д.
Родившись «на небе», экспериментальная физика эле-
ментарных частиц почувствовала под собой землю лишь
после введения в строй мощных ускорителей. Синхро-
фазотрон в Брукхейвене (США), позволявший уже в на-
чале 50-х годов получить частицы с энергиями 3*109 эВ,
был назван космотроном, потому что оснащенная этой
машиной земная лаборатория могла уже пытаться «конку-
рировать» с космической лабораторией. В 1970 г. «кон-
курентоспособность» возросла: в Серпухове начал работать
ускоритель, позволяющий получать энергии протонов до
7,6«Ю10 эВ (76 ГэВ). Но даже и тогда, когда в распоря-
жении физиков появятся ускорители, разгоняющие ча-
стицы до энергии выше 1011 эВ, космические лучи оста-
нутся единственным источником частиц сверхвысоких
энергий (1020 и даже 1022 эВ).
Наблюдая «вторичные» космические лучи на поверх-
ности Земли, можно получить лишь отдаленное представ-
ление о первичных космических лучах. Подсчитано, что
одна частица высокой энергии порождает в земной атмо-
сфере ливень из 10 млрд, частиц, который выпадает на
площадь около 1 км2. Образуется грандиозный каскад,
состоящий из электронно-позитронных пар. Такие пары
возникают при пролете у-квантов вблизи ядер атомов, а
сами у-кванты рождаются в земной атмосфере в результа-
те ядерных превращений или при резком торможении
быстрых электронов. Появившиеся пары сами становятся
источником у-квантов, и такое чередование процессов
продолжается тем дольше, чем большую энергию имела
родительская частица космических лучей.
100
Пытаясь добраться до первичного излучения, не иска-
женного множеством трансформаций в земной атмосфере
ученые стремятся расположить регистрирующую аппа-
ратуру как можно выше. Но, конечно, ни на высоких
горах, ни на высотах, достигаемых с помощью аэростатов,
нет тех условий, которые появились благодаря искусст-
венным спутникам Земли. В июле 1965 г. на орбиту
с высотой перигея 190 км и апогея около 630 км был
выведен «Протон-1»— тяжелый исследовательский ис-
кусственный спутник Земли, на котором советские уче-
ные проводили исследование космических лучей сверх-
высоких энергий, до 1013 эВ. Прошло немногим более
трех лет, и в октябре 1968 г. на орбиту был выведен
«Протон-4», уникальный комплекс аппаратуры которого
предназначался для изучения частиц с энергией до 1015 эВ.
Спутники открыли новую страницу в области ядерно-фи-
зических исследований космических лучей высоких энер-
гий.
Однако, пожалуй, это не самое главное на современном
этапе исследования космического излучения. Последние
двадцать лет неуклонно растет интерес к космическому
(астрофизическому) направлению в исследовании косми-
ческих лучей. Невидимые потоки частиц удалось «уви-
деть» и превратить в новый метод познания Вселенной.
Один из зачинателей астрофизики космических лучей
(ныне влившейся в астрофизику высоких энергий) акаде-
мик В. Л. Гинзбург еще в 1950 г. обосновал важную идею,
согласно которой на Земле можно регистрировать маг-
нитно-тормозное излучение электронов, входящих в состав
космических лучей. Прекрасный пример распростране-
ния познанных в земной лаборатории закономерностей
на процессы во Вселенной! Важнейший итог такого
вторжения физики в астрофизику — включение космиче-
ских лучей в число основных составляющих Вселенной,
к которым прежде относили только звезды и планеты,
диффузную материю и электромагнитное излучение
(преимущественно свет).
Как же удалось лучам-невидимкам добиться такого
равноправия? Известно, что космические лучи — это не
лучи в общепринятом смысле слова, а пронизывающие
Вселенную потоки заряженных частиц высоких энергий:
протонов (ядер атомов водорода), ядер атомов некоторых
Других элементов, а также электронов и позитронов.
101
Плотность энергии космических лучей — порядка
10-12 эрг/см3 — сравнима с плотностью излучения звезд;
таков же порядок плотности магнитных полей в Галакти-
ке. Не странно ли это, ведь в 1 см3 пространства содер-
жится не более 10-10 частиц космических лучей с энерги-
ей около 109 эВ, а концентрация частиц межзвездного газа
значительно выше — от 10“3 до 1 в 1 см3? Но хотя частиц
космических лучей мало, очень велика их энергия, во
многие сотни миллиардов раз превосходящая энергию
теплового движения атомов в межзвездной среде. Произ-
ведение энергии космических лучей на их концентра-
цию как раз и дает уже известное нам значение плотности
энергии. Вот почему космические лучи в межзвездной
среде играют, пожалуй, не меньшую роль, чем силы тя-
готения и газового давления в звездах.
В ряде физических процессов космические лучи имеют
много шансов оказаться определяющим фактором. На-
пример, при взрывах в ядрах галактик должно выделять-
ся колоссальное количество частиц высоких энергий и с
ними могут быть связаны многие наблюдаемые эффекты.
Другой пример. В межзвездном газе Галактики есть зоны
НИ и HI, в которых водород почти полностью ионизо-
ван или нейтрален. Резко различаются температуры этих
областей: она высока (до 10 000 К) в зонах Н II и значи-
тельно меньше в зонах Н I. Согласно классическим пред-
ставлениям, единственная причина подобного различия —
ультрафиолетовое излучение горячих звезд, повышающее i
среднюю энергию хаотического движения частиц газа (т. е.
кинетическую температуру) и вызывающее ионизацию ’
водорода. Все это происходит там, куда ультрафиолето-
вое излучение может проникнуть,— в зонах НИ. В зо-
нах Н I проникающее излучение не могло обеспечить
ионизацию водорода, но для ионизации углерода его
достаточно. Вот и считалось, что оторванные от атомов эле-
ктроны греют газ, повышая его температуру до 20—25 К.
В действительности же, как показали радиоастрономиче-
ские наблюдения на волне 21 см, зоны Н I очень неодно-
родны по своей плотности и температуре. Наиболее плот-
ный газ сосредоточен в спиральных рукавах Галактики
и в облаках. Температура газа там в одних местах до 60 К,
в других раза в два больше, В областях же, где газ крайне $
разрежен, теория требовала нагрева более 1000 К, но обес- \
печить подобный нагрев в этих областях ультрафиолето- I
102
вое излучение звезд не может. Профессор С. Б. Пикель-
пер предположил, что источник нагрева — космические
лучи. Выполненный советским ученым расчет взаимодей-
ствия газа и космических лучей позволил получить согла-
сующиеся с наблюдениями параметры газа — температу-
ру? концентрацию водорода, электронную концентрацию.
«Мягкая» составляющая первичных космических лу-
чей с энергией частиц до 109 эВ рождается по соседству
с нами — во время активных процессов на Солнце. Еще в
начале 40-х годов обратили внимание на то, что многие
хромосферные вспышки сопровождаются резким увеличе-
нием интенсивности космических лучей.
Что заставляет солнечные космические лучи двигаться
с большими скоростями? Возможно, что потоки частиц,
возникших при вспышке в хромосфере, ускоряются во
время прохождения через солнечную корону. Скорость
распространения альвеновских волн в солнечной короне
220 Н км/с, где Н — напряженность магнитного поля в
эрстедах. Скорость звука в короне составляет около
170 км/с. При временном местном увеличении напряжен-
ности магнитного поля до 1 тыс. Э в ударных волнах, воз-
никших в короне, могут формироваться потоки частиц со
скоростями до 200 000 км/с.
Исследование космических лучей солнечного проис-
хождения связано с рядом проблем геофизики и космо-
навтики, так как хромосферные вспышки сопровождают-
ся не только изменением интенсивности космических
лучей и повышением уровня радиации вблизи Земли, но
и полярными сияниями, геомагнитными и ионосферными
возмущениями. Так, в августе 1972 г. на Солнце наблю-
дались исключительно мощные вспышки, вызвавшие,
в частности, невиданную ранее космическую бурю, связан-
ную с приходом к Земле потоков протонов, а-частиц и
электронов высоких энергий. Обычная скорость солнеч-
ного ветра вблизи окрестностей орбиты Земли 300—
400 км/с. Но тогда она превышала 1100 км/с. В несколь-
ко раз возросла напряженность межпланетного магнит-
ного поля. Одновременно уменьшилась интенсивность
космических лучей, приходящих к нам не от Солнца, а
откуда-то из глубин Вселенной. Такое явление («Форбуш-
эффект») пытаются объяснить тем, что солнечный ветер
как бы выносит из солнечной системы магнитное поле, вы-
талкивая галактические космические лучи и мешая им
103
проникнуть из межзвездного пространства в окрестности
ближайших к Солнцу планет. Исследования солнечных
космических лучей на протяжении ряда лет проводятся
учеными разных стран с помощью приборов, установлен-
ных на спутниках.
Вокруг вопроса о происхождении космических лучей
высоких энергий, возникающих за пределами солнечной
системы, многие годы ведутся горячие споры. Основные
группы гипотез — метагалактическая и галактическая.
Сторонники метагалактической гипотезы (Ф. Хойл,
Дж. Бербидж и др.) считают, что космические лучи обра-
зуются за пределами Галактики и каким-то образом прони-
кают в нее. В этом случае плотность энергии космических
лучей в Метагалактике должна быть не ниже плотности
энергии космических лучей в Галактике. Но даже если
учесть возможности таких солидных поставщиков внега-
лактических космических лучей, как радиогалактики и
квазары, то и в этом случае оказывается, что плотность
космических лучей в Метагалактике примерно в 1 тыс.
раз меньше, чем в Галактике. Особые трудности возника-
ют с электронно-позитронной компонентой космических
лучей. Ее интенсивность менее 1 % от общей интенсивно-
сти первичных космических лучей. Мы уже говорили, что
электроны в межзвездной среде, двигаясь в магнитных
полях, непрерывно теряют энергию и делают это более
расточительно, чем протоны и ядра атомов, входящих в со-
став космических лучей. Прэтому нелегко понять, как
электроны, возникнув где-то за пределами Галактики,
оказались в окрестности Земли.
Галактическая гипотеза, в разработке которой боль-
шая заслуга принадлежит советским ученым В. Л. Гинз-
бургу и С. И. Сыроватскому, утверждает, что львиная
доля космических лучей (основное исключение — косми-
ческие лучи солнечного происхождения) рождается в Га-
лактике при взрывах сверхновых звезд, а также возни-
кает в результате жизнедеятельности пульсаров и взрыв- .
ной активности галактического ядра. Эти поставщики
способны обеспечить наблюдаемую плотность энергии
космических лучей. Привлекает внимание и тот факт, что, |
как мы видим, плотность энергии космических лучей
близка к плотности энергии других наполнителей меж-
звездной среды Галактики. В галактической гипотезе
находят свое естественное объяснение и другие важней- f
104
шие особенности первичного космического излучения:
изотропность и аномалия химического состава. В чем
суть этих причуд космических лучей?
Обозначим через Zmax поток космических лучей в
направлении, где он максимален. Измерение будем прово-
дить за пределами магнитосферы Земли. Zmin — мини-
мальный поток первичного космического излучения. Ве-
личина 6 = (Zmax — Zmin): (Zmax + Zmin) может рассматри-
ваться как характеристика анизотропии. Ясно, что б тем
больше отличается от 100%, чем больше анизотропия.
Для космических лучей с энергией частиц порядка
1014 эВ анизотропия 6 <Z 0,1%, а для частиц более высо-
ких энергий 6 ~ 1 %. Значит, в пределах точности изме-
рений первичные космические лучи практически изотроп-
ны, т. е. почти равномерно приходят отовсюду (небольшая,
но очень важная анизотропия все-таки существует).
Каково же приходится исследователям космических
лучей, стремящимся найти во Вселенной их источники?
В. Л. Гинзбург, поясняя положение, в котором находят-
ся эти ученые, приводит следующий пример. Допустим,
что оптическое излучение небесных тел вдруг почему-либо
перемешалось и мы наблюдали бы при ясном небе какое-то
суммарное оптическое излучение. Если бы вот так все сме-
шалось в доме астрономов, как бы они могли воссоздать
картину мироздания и прийти к той гармонии мира, ко-
торой мы восхищаемся сегодня?! Но в астрофизике кос-
мических лучей именно такая ситуация: космические
лучи, оказавшиеся вблизи Земли, давно «забыли», откуда
они. Это объясняется прежде всего тем, что траектории
частиц космических лучей долгое время запутывались,
следуя хитросплетению силовых линий магнитных полей
Галактики. Собственно, слово «следуя» нужно взять
в кавычки, так как всем известен характер движения
заряженной частицы в магнитном поле. Напомним еще
раз, что в самом простом случае, когда силовые линии —
параллельные прямые, равномерно заполняющие про-
странство (однородное магнитное поле с напряженностью
Н), частица движется в плоскости, перпендикулярной
силовым линиям по винтовой траектории. Эта траектория
представляет собой результат сложения равномерного
вращения по окружности и поступательного движения
со скоростью v. Радиус кривизны траектории протона
(с энергией W эВ) легко вычисляется по формуле
105
r = РИ/300 Я, где Я — напряженность поля в эрстедах.
Из этой формулы получается, что при энергии протона
1О10 эВ и Я = 10“в Э, радиус кривизны траектории будет
ЗЛО13 см (это примерно в 105 раз меньше, чем расстояние
от Солнца до ближайшей звезды). Протон с энергией
1019 эВ описывает в поле, напряженность которого такая
же, как в межзвездных полях, траекторию с радиусом
кривизны порядка 1021 см, что уже сравнимо с радиусом
Галактики. Эти цифры показывают, что даже в случае
простейшей конфигурации магнитного поля распростра-
нение космических лучей не имеет ничего общего с прямо-
линейным распространением света. Реальная же картина
их движения, конечно, несоизмеримо сложнее и напоми-
нает диффузию молекул в газе.
Сравнение с диффузией приобретает более глубокое
физическое содержание, если мы вспомним о третьем за-
коне магнитогидродинамики. Частицы, имея некоторую
свободу перемещения, дрейфуют в магнитном поле, пере-
ходя от одних силовых линий к другим, приспосабли-
ваясь к самым причудливым изменениям конфигурации
магнитных полей в Галактике. Нельзя забывать и о плаз-
менных эффектах, поскольку даже чуть-чуть направлен-
ный пучок космических лучей способен возбудить в плаз-
ме волны Альвена. В свою очередь, такие волны могут
играть роль источников рассеяния космических лучей,
уменьшая их анизотропию и способствуя процессам диф-
фузии частиц в магнитных полцх.
Следовательно, за миллионы лет странствий космиче-
ские лучи наверняка успели пройти путь, в десятки тысяч
раз превышающий радиус Галактики. Однако это не
значит, что космические лучи имеют метагалактическое
происхождение: ведь из того, что искусственный спутник
за время своего движения по околоземной орбите прошел
миллионы километров, не следует, что он прилетел к нам
с Марса.
Химический состав космических лучей резко отли-
чается от обычной распространенности химических эле-
ментов на Земле, в метеоритах и во Вселенной. Самых
распространенных во Вселенной элементов — водорода и
гелия—-в силу их летучести в составе планет земной груп-
пы оказалось мало. Ядер лития, бериллия и бора (т. е.
элементов с порядковым номером ядра от 3 до 5) в кос-
мических лучах оказалось примерно в 10 тыс. раз боль-
106
ше, чем их должно быть во Вселенной. Если к этому
добавить, что и тяжелых и сверхтяжелых элементов в
космических лучах значительно больше, чем в звездах
и межзвездном газе, то станет ясно, что космические лучи
обладают не только феноменальными энергиями, но и
необычным химическим составом.
С точки зрения галактической гипотезы происхожде-
ния космических лучей, обилие ядер легких элементов
рассматривается как вторичное явление. Эти ядра роди-
лись в пути, на протяжении которого ядра тяжелых
элементов, изверженных, например, при взрывах сверх-
новых звезд, расщеплялись при соударениях с абори-
генами межзвездного пространства — протонами и а-час-
тицами. Замечательным успехом гипотезы, разрабатывае-
мой советскими учеными, явился следующий расчет.
Предположив, что вначале космические лучи состояли
только из тяжелых ядер, ученые вычислили ожидаемый
химический состав их у Земли и получили хорошее сов-
падение теории с теми данными, которые следуют из
наблюдений.
Не только на Земле, но и в солнечной системе нет,
конечно, процессов, сравнимых по масштабам со взры-
вами в ядре Галактики или со взрывами сверхновых.
Именно с этими процессами галактическая гипотеза свя-
зывает появление космических лучей. При взрывах долж-
ны возникать ускоренные частицы. Ускорение частиц
при взрывах изучено пока еще недостаточно. Ведутся
поиски механизмов ускорения частиц до наблюдаемых
скоростей и энергий, находящихся вне источников взры-
вов во Вселенной. Поиски облегчаются тем, что в меж-
звездном пространстве есть все, что нужно для уско-
рения: плазма и поля — электрическое и магнитное.
В принципе частицы, сталкиваясь с многочисленными
сгустками таких межзвездных полей, могут либо уве-
личивать, либо уменьшать энергию. По-видимому, ста-
тистика склоняется в сторону тех встреч, которые за-
канчиваются приращением энергии. Вообще же такой
статистический механизм ускорения, предложенный в
конце 50-х годов Ферми, может работать не только в
межзвездной среде, но и в оболочках сверхновых звезд,
и в атмосферах звезд типа нашего Солнца. Не исключено,
что главное ускорение частицы получили, когда они
еще не очень удалились от породившего их источника.
107
В рамках галактической гипотезы обсуждаются в основ-
ном две модели — дисковая и модель с гало. Согласно
дисковой модели, источники космических лучей и сами
лучи сосредоточены в галактическом диске. В альтер-
нативной модели считается, что источники сосредоточены
в галактическом диске, а их продукция, т. е. сами кос-
мические лучи,— в квазисферической газовой короне (га-
ло), окружающей оптический диск. Идея о возможном
существовании такой короны появилась еще в начале
50-х годов, но до сих пор нет уверенности, что гало суще-
ствует.
От выбора модели зависит среднее время жизни кос-
мических лучей: 10е лет для дисковой модели и 108 лет
для модели с гало. Сделать же определенный выбор пока
трудно, хотя неясность в вопросе существования гало
как будто бы заставляет отдавать предпочтение дисковой
модели (а точнее, дисковым моделям). Эту, как и другие
проблемы космических лучей, призваны решить новые
экспериментальные данные, которые позволят получить
более достоверные сведения о химическом составе кос-
мических лучей или, скажем, подойти к проблеме с по-
зиций у-астрономии.
Особое место в проблеме космических лучей занимает
вопрос о частицах, энергия которых превышает 101в—
1017 эВ. Откуда берутся эти сверхэнергичные частицы,
о которых известно значительно меньше, чем о мягких
и нормальных космических лучах? В настоящее время
нет сколько-нибудь определенных ответов на подобные
вопросы. Точнее можно сказать так: ни галактическая,
ни метагалактическая гипотезы не дают исчерпывающего
объяснения природы частиц сверхвысоких энергий. Глу-
бокий анализ этой проблемы вынуждает исследователей
в поисках истины дерзко покушаться на «основы». Так,
например, в гипотезе, которую предложили в 1971 г.
советские ученые В. С. Березинский и Г. Т. Зацепин,
предполагается, что главный компонент первичных кос-
мических лучей сверхвысоких энергий не протоны и дру-
гие ядра атомов, а нейтрино, которые при определенных
условиях могут вызывать регистрируемые на Земле широ-
кие ливни вторичных космических лучей. Новая идея
выросла в нейтринную гипотезу, которую в принципе
можно проверить. Для этого нужно тщательно иссле-
довать ливни. Если эти ливни имеют нейтринное про-
108
исхождение, то они, во-первых, должны зарождаться не
в верхних слоях атмосферы (как обычные), а в более
глубоких, и, во-вторых, развиваться нейтринным лив-
ням положено медленнее, чем обычным.
Еще более отважны попытки пересмотреть существую-
щие теории взаимодействия элементарных частиц очень
больших энергий. Если на мгновение допустить, что
именно в этом направлении следует продвигаться, тогда
нужно приготовиться к тому, что, может быть, придется
самым серьезным образом изменить сложившиеся пред-
ставления об однородности и изотропности четырехмер-
ного пространства-времени. В этом случае космическим
лучам, стоявшим некогда у колыбели новой и новейшей
физики, придется подарить людям «сверхновую» физику.
Случится ли такое когда-нибудь? Этого сегодня никто
не знает. Но если даже и не случится (что скорее всего),
то у космических лучей, ставших с помощью радиоастро-
номии подлинным мостом связи Вселенная — Земля, и
так заслуг более чем достаточно.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
В книге о физике Вселенной лишь очень условно можно
выделить подраздел с таким названием. И это понятно:
без вопросов, относящихся к компетенции ядерной физи-
ки, нет сегодня ни классической астрофизики, ни астро-
физики высоких энергий, ни космогонии, ни космоло-
гии.
Ядерное взаимодействие не случайно называют силь-
ным. В этом легко убедиться, сравнив его с гравитацион-
ным, электромагнитным и слабым. Гравитационное взаи-
модействие, прославлению которого была посвящена вся
первая глава нашей книги, в 1026 раз слабее того, что
называют слабым. Мы уже знаем, что в этом виновата
малость константы тяготения G. А то, что далеко не каж-
дый из читателей способен преодолеть планку, установ-
ленную на высоте 1,5 м, объясняется отнюдь не интенсив-
ностью гравитационного взаимодействия. В данном слу-
чае, как и во всех других, где рассматривается взаимо-
действие Земли и какого-нибудь земного предмета, масса
предмета и масса Земли выступают не на равных: эффект
обусловлен просто недостаточной чистотой постановки
опыта, в котором все решает массивная Земля.
109
Слабое взаимодействие свойственно процессам распада,
которые столь обычны в мире элементарных частиц. Их
характерное время порядка 10'10 с. Это на 10 порядков
больше, чем характерное время электромагнитного взаи-
модействия — 10'20 с. Последнее — это кулоновское взаи-
модействие — многочисленные процессы, в ходе которых
рождаются всевозможные излучения, возникают такие
эффекты, как фотоэффект и эффект Вавилова — Черенко-
ва, образуются электронно-позитронные пары и т. д.
Электромагнитное взаимодействие отвечает за физику,
химию и биологию.
Что же остается на долю ядерного, сильного взаимо-
действия? Только одно — обеспечение связи между ну-
клонами в ядрах атома. Если существование звезд и
звездных систем обязано силам тяготения, а существова-
ние атомов и молекул — электромагнитным силам, то су-
ществование первоосновы всего — ядер атомов — обя-
зано ядерным силам. Они весьма своеобразны. Это корот-
кодействующие силы: область их действия порядка
10“13 см, а характерное время взаимодействия КГ23 с.
Подобно гравитационным, ядерные силы не являются
электрическими. В 30-х годах известный советский физик
академик И. Е. Тамм пришел к выводу, что ядерные силы
имеют обменный характер, т. е. обусловлены обменом час-
тиц между нуклонами. Развивая эту идею, японский фи-
зик Юкава сформулировал гипотезу, согласно которой
взаимодействие должно осуществляться мезонами — ча-
стицами, масса которых занимаем промежуточное поло-
жение между массами электрона и протона. В 30-х годах
никакие другие частицы, кроме основных кирпичиков миро-
здания — протонов, нейтронов и электронов, не были из-
вестны. И лишь в 40-х годах были открыты в космических
лучах столь необходимые для ядерной физики л-мезоны,
которые, подобно фотонам (квантам электромагнитного
излучения), оказались ядерными квантами.
Если силу ядерного взаимодействия принять за едини-
цу, то гравитационное изобразится величиной, близкой
к 10'4Q. Ядерное взаимодействие примерно в тысячу раз
сильнее электромагнитного и в тысячи миллиардов раз
превосходит слабые взаимодействия. В ядерном взаимо-
действии участвуют, кроме нуклонов и л-мезонов, многие
другие частицы (странные и резонансы). Все сильно взаи-
модействующие частицы объединяются общим названи-
110
— адроны. Ни фотоны, ни лептоны (т. е. нейтрино,
антинейтрино, электрон, позитрон, некоторые мюоны)
к числу сильно взаимодействующих частиц не принад-
лежат.
Но если нуклоны в ядре удерживаются ядерными
силами, то в ядрах должна быть заключена колоссальная
энергия, величина которой зависит от числа взаимодейст-
вующих нуклонов. Энергия связи ядра водорода, в ко-
тором находится лишь один протон, равна О, у дейтерия
(протон и нейтрон) — 0,1% от энергии покоя ядра, у три-
тия (один протон и два нейтрона) — 0,27%. у гелия —
0,74% и т. д. Наибольшей энергией связи (0,92%) обла-
дают ядра, содержащие 50—60 нуклонов (у более тяже-
лых ядер энергия меньше — 0,78%, потому что в таких
ядрах ощутимо уже и электрическое отталкивание). Из
ск:занного ясна практическая выгода процесса деле-
ния тяжелых ядер, лежащего в основе атомной энер-
гетики.
Еще большая энергия выделяется при синтезе легких
ядер. Сумма масс легких ядер больше, чем масса упако-
ванного из них тяжелого ядра. Представим себе, что из
четырех протонов, с массой каждого из них 1,00813 атом-
ных единиц, сформировалось одно ядро гелия (4,00389).
Тогда «дефект массы» есть Дт = 0,02863, а высвободив-
шаяся энергия связи, подсчитанная по формуле Е = &тс\
составит 4,3-10“5 эрг. Так как 0,02863 : 4,03252 = 0,007,
то 0,7% — это часть массы, которой пришлось пожерт-
вовать протонам, решившим объединиться в ядро гелия.
Пока расчеты ведутся относительно четырех протонов и
одной а-частицы, ничего особенного и интересного для
астрофизики как будто и нет (1 эрг — это очень малень-
кая энергия, а тем более 10“5 эрг!). Но если считать «по
большому счету», то результат получается впечатляю-
щим: 1,3*10“ эрг — такое количество энергии выдели-
лось, если бы Солнце состояло из водорода и если бы
весь этот водород превратился в гелий. Чтобы почувство-
вать, как это много, вспомним, что светимость Солнца
3,8-1033 эрг-с"1. Значит, 1,3-10“ эрг Солнце способно
излучить (при современном темпе расхода энергии) за
3-1018с = 100-Ю9 лет!
Известны два цикла термоядерных реакций, которые
могут протекать в недрах Солнца, поддерживая его излу-
чение. Остановимся сначала на протон-протонном, или
111
водородном, цикле:
iH + |H->*D + e+ + vf
}Н + *D-|He + r,
|Не + ®Не-> ^Не + 2|Н.
(а)
(б)
(в)
Здесь, как и в рассмотренном выше примере, объеди-
няются в ядро атома гелия четыре протона. Вероятность
осуществления и время протекания каждой из этих реак-
ций различны и зависят от физических условий. В нед- {
рах Солнца, где господствуют высокие температура и дав- $
ление, может начаться водородный цикл, т. е. осуществит- I
ся реакция (а), требующая, чтобы в среде оказались прото-
ны, способные взаимодействовать, несмотря на силы
электростатического отталкивания. Протонов, энергия •
которых раз в двадцать превышает среднюю тепловую
энергию частиц при данной температуре, не так уж много,
однако они все же имеются среди огромного числа прото-
нов внутри Солнца. Но это еще не все: нужно, чтобы за
мгновение взаимодействия произошел некий промежуточ-
ный процесс. Дело в том, что два протона не могут обра-
зовать устойчивое ядро дейтерия (требуется протон и
нейтрон). Если же произойдет процесс налету и один из
взаимодействующих протонов распадется на нейтрон
(и), позитрон (е+) и нейтрино (v), то возникший нейтрон
и второй протон образуют *2), нейтрино улетит прочь, а
позитрон, найдя себе партнера (е~), превратится в два
кванта излучения. Физики знают, что время жизни
протона относительно реакции (а) составляет не менее
10 млн. лет. Хорошо, что жизнь на Земле зависит не от
встречи всего лишь двух протонов в центре Солнца! Нас
спасает статистика: даже очень редкие для конкретной
пары частиц процессы происходят внутри Солнца непре-
рывно.
Дейтерий, родившийся столь удивительно, не будет
жить долго, он обречен: всего через 4—6 с ему предстоит
вступить во взаимодействие с протоном и образовать ядро
изотопа гелия, согласно реакции (б). Наконец, среднее
время жизни частиц относительно реакции (в) составляет
миллионы лет, так как ядер изотопа гелия мало, а ведь
они должны встретить друг друга в достаточно неспокой-
412
ной обстановке солнечных недр. Итог цикла можно запи-
сать так:
4}Н |не + е+ + v + у + 27 МэВ
(кроме того, некоторое количество энергии уносит ней-
трино). Считается, что таков основной процесс, происхо-
дящий в недрах звезд типа Солнца. В ходе его 1 г водорода
превращается в гелий за несколько миллионов лет. Если
к этому добавить, что высвободившиеся у-кванты энер-
гии будут миллионы лет добираться до фотосферы, дро-
бясь на кванты видимого света, то перед нами предстанет
неторопливость, достойная величественного Космоса!
Энерговыделение получается ничтожное: 1 г солнечно-
го вещества излучает менее 2 эрг за 1 ct что значительно
меньше энергии, выделяющейся в организме человека
в процессе обмена веществ, а мощность излучения элект-
рической лампочки оказывается эквивалентной мощности
многих тонн солнечного вещества. Но не надо забывать,
что Солнце огромно, его масса 2-1033 г, а потому излу-
чаемая им мощность 4*1026 Вт неизмеримо больше мощно-
сти всех, вместе взятых, крупнейших электростанций, соз-
данных человеком. Огромны и расходы массы Солнца:
ежесекундно оно теряет 4,3 млн. т вещества. Однако это
совершенно не волнует нас: мы спокойны за судьбу
Солнца, которое еще миллиарды лет будет светить так же,
как и сейчас. И вообще обитателей Земли вполне устраи-
вают медленные темпы термоядерных реакций, самопод-
держивающихся на Солнце и хорошо зарекомендовавших
себя на протяжении последних 5 млрд. лет. Наше светило
имеет вполне подходящий термоядерный реактор, и у нас
нет оснований завидовать звездам, энерговыделение ко-
торых в десятки тысяч раз больше (сверхгиганты) или
в десятки раз меньше (белые и красные карлики), чем у
Солнца.
Солнечный термоядерный реактор имеет оригиналь-
ную конструкцию: плазма удерживается гравитационны-
ми силами, а термоизоляцию обеспечивают колоссальные
толщи вещества, отделяющие реактор от излучающей по-
верхности. И неудивительно, что, глядя на Солнце и
звезды и научившись понимать, что в них происходит,
человек поставил перед собой задачу зажечь на Земле
искусственное Солнце — создать управляемый термоядер-
ный реактор.
113
Жаль только, что подражать природе оказалось не-
возможно. В земной лаборатории реакция (а), по всей
вероятности, не осуществима. Нельзя скопировать «кон-
структивное решение» солнечного термоядерного реакто-
ра, чтобы удержать плазму и обеспечить термоизоляцию,
к тому же медленные темпы процессов на Солнце неприем-
лемы для земных лабораторий. Вот и пришлось людям
позаимствовать у природы лишь идею высокоэффектив-
ного термоядерного синтеза и самим создавать условия
для его осуществления на Земле. Поэтому ни «токамаки»
(тороидальные камеры со стабилизирующим собственным
магнитным полем тока в плазме), ни «стеллараторы» (ка-
меры, в которых плазма удерживается внешним магнит-
ным полем), ни различные другие ныне действующие и про-
ектируемые термоядерные устройства не будут копией
Солнца.
Термоядерные установки в земных лабораториях дело
ума и рук человека. В их создании впечатляющих успе-
хов достигли советские ученые и инженеры. Есть основа-
ния надеяться, что советская программа «Токамак», полу-
чающая все большее признание и распространение не
только в СССР, но и в ряде других стран, окажется наи-
более перспективной.
В установках «Токамак» нашел концентрированное
выражение многолетний научный и технический поиск
советских ученых. На самой крупной из установок уда-
лось в течение сотых долей секунды удерживать плазму
с плотностью около 5’Ю13 г/см3 и максимальной темпера-
турой 8‘106К, что явилось, по выражению академика
Л. А. Арцимовича, еще одним шагом к заветной сказоч-
ной стране несметных сокровищ и всевозможных чудес —
«термоядерному Эльдорадо». Крупный «Токамак» введен
в 1973 г. во Франции; в 1975 г. начали функционировать
еще большие установки в Институте атомной энергии
им. И. В. Курчатова и в Принстонской лаборатории США,
а западноевропейские ученые намерены создать Объеди-
ненный европейский «Токамак».
Многотрудный, полный побед и разочарований штурм
крепости, именуемой «управляемый термоядерный син-
тез», длится свыше двадцати лет. За эти годы этап без-
удержного оптимизма, основанного на недостаточном зна-
нии, сменился этапом, для которого характерно про-
гревание и накопление знаний; и вот наступил нынешний
114
этап, о котором иногда говорят, что это время сдержанного
оптимизма и подлинной готовности к штурму.
С будущим человечества связано не увеличение числа
водородных бомб, которых уже сейчас достаточно, чтобы
бесследно стереть с Земли цивилизацию, а создание мир-
ной термоядерной энергетики. Топливные ресурсы термо-
ядерных электростанций практически неисчерпаемы, ведь
в качестве топлива, вероятно, можно будет использовать
дейтерий, который в виде примесей находится в воде
земных океанов. Наиболее многообещающими могут ока-
заться, например, реакции типа
== + |Н + 4,0 МэВ с участием дейтерия,
или
iH + = gHe + Jn + 17,6 МэВ с участием дейтерия и трития •
В отличие от реакций деления, используемых в атом-
ной энергетике, термоядерные реакции не сопровождают-
ся столь губительными для биосферы радиоактивными
отходами. А энергия, выделяющаяся при синтезе 1 г
гелия, примерно в 10 раз больше энергии, выделяющейся
при делении 1 г урана.
Когда зажжется на Земле управляемая термоядерная
реакция? Среди называемых сроков есть 1982 г., который
наметили себе американские ученые и их западноевропей-
ские коллеги. Летом 1973 г. подписано соглашение между
СССР и США в области физики высоких энергий и ядер-
ной энергетики. Это соглашение открыло новые перспек-
тивы для развития плодотворного сотрудничества между
советскими и американскими учеными. Оно приблизит
решение «проблемы № 1» и навсегда устранит угрозу
энергетического голода.
Однако вернемся к Солнцу и звездам. Протон-протон-
ный цикл не на 100% обеспечивает энергией Солнце; ве-
роятно, 3—5% энерговыделения поставляет углеродно-
азотный цикл (CN):
«С + ► “N + Г (1,3«IO7 лет); (а)
“N—“С + е+4-v (7 мин); (б)
IIC + JH-^N+T (2,7 -107 лет); (в)
“N + JH-»1®O + T (3,2.10» лет); (г)
“О -> + е+ + v (82 с); (д)
X|N + *Н - “С + *Не (1Х1 • 10* лет). (е)
115
Рядом с каждой реакцией указано ее среднее время;
реакции (б) и (д) представляют собой распад радиоактив-
ных изотопов азота и кислорода. Кратко весь цикл можно
записать в виде
4|Н —»*Не +2е+ + t + v.
В ходе цикла выделяется 25,03 МэВ энергии и 1,7 МэВ
уносит нейтрино. Полный выход энергии близок к тому,
что дает протон-протонный цикл. В цикле CN водород
превращается в гелий при участии углерода, выступаю-
щего в качестве катализатора. Такой цикл, как уже го-
ворилось, может играть некоторую роль на Солнце и более
заметную роль в недрах звезд, где температура выше, чем
на Солнце.
Есть ли хоть какая-нибудь надежда эксперименталь-
ной проверки теории? На первый взгляд, такой надежды
нет, так как заглянуть в недра Солнца нельзя. В действи-
тельности же мгновенную информацию о том, что там
происходит, несут нейтрино, которые, покидая Солнце и
звезды, захватывают с собой до 10% энергии, выделяю-
щейся в ходе термоядерных реакций протон-протонного
и углеродно-азотного цикла.
Сколько нейтрино ежесекундно падает на 1 см2 земной
поверхности? Пара нейтрино рождается при образовании
одного ядра гелия. Мы знаем, что при этом выделяется
4«10"5 эрг энергии. Светимость Солнца примерно 4«
• 1033 эрг/с, а потому на Солнце ежесекундно возникает
4033 ядер гелия и 2«1038 нейтрино. Если считать, что все
они излучаются в пространство, то число нейтрино, па-
дающих на 1 см2 поверхности Земли, будет 8-1010. К со-
жалению, эти 80 млрд, слабо взаимодействующих частиц
практически неуловимы, хотя мы живем в «нейтринном
океане» и нейтрино пронизывают нас и все окружающие
предметы. Но мы уже неоднократно были свидетелями
того, как человечеству приходилось неожиданно узна-
вать, что оно, подобно мольеровскому герою, «говорит
прозой».
Швейцарский физик В. Паули, исходя из законов
сохранения в некоторых элементарных процессах, в на-
чале 30-х годов предсказал существование нейтрино.
Почти четверть века нейтрино оставалось «частицей на
бумаге», так как лабораторный эксперимент не спешил
пдотвердить правильность теории. Но сегодня сущест-
11«
вование нейтрино и антинейтрино — научный факт. Бла-
годаря трудам академика Б. М. Понтекорво были откры-
ты разновидности нейтрино (электронное и мюонное) и за-
ложен теоретический фундамент нейтринной астрофизики.
Ученые пытаются сконструировать «нейтринные теле-
скопы», которые не имеют ничего общего с оптическими
и радиотелескопами, а также мало похожи на рентгенов-
ские. Это просто огромные баки, спрятанные глубоко под
землей и наполненные четыреххлористым этиленом (пер-
хлорэтилен С2С14), т. е. жидкостью, которая хорошо зна-
кома работникам химчистки. Вот с такими «телескопами»
начиная с 1955 г. ведутся опыты. В них оценивается чис-
ло ядер радиоактивного изотопа аргона-37, образующего-
ся при возможном взаимодействии высокоэнергичных
нейтрино, идущих от Солнца, с изотопом хлора (С137 +
-|- v + Аг 37). Результаты опытов, проводимых
в США Р. Дэвисом, озадачили астрофизиков. Оказалось,
что, согласно современным представлениям о недрах
Солнца, наше светило должно излучать в 7—10 раз боль-
ше нейтрино, чем удалось зарегистрировать в эксперимен-
те. Конечно, теоретики быстро пришли в себя и, проявив
присущую им изобретательность, нашли несколько объ-
яснений, каждое из которых за известную цену способно
неплохо истолковать неожиданный результат экспери-
мента: достаточно лишь несколько подправить модели
Солнца (а может быть, даже и некоторые физические
представления), не посягая при этом на основы астрофи-
зики... Сейчас, когда продолжаются эксперименты, со-
вершенствуется техника их осуществления, едва ли стоит
спешить с изложением существующих гипотез. Но бес-
спорно, результат опытов Дэвиса вновь призвал ученых
к бдительности, еще раз напомнив им о коварстве недрем-
лющей «госпожи Природы».
Термоядерные реакции весьма чувствительны к тем-
пературе. Например, углеродно-азотный цикл, играющий
сравнительно небольшую роль в энергетике нашего Солн-
ца, может оказаться основным поставщиком энергии более
горячих звезд. С течением времени в недрах одной и той
же звезды термоядерные источники изменяются, потому
что эволюция звезды сопровождается сменой ядерного
горючего.
Мы застали Солнце в расцвете сил. Но таким Солнце
было и будет не всегда. Большинство астрономов считает,
117
что звезды образуются в результате конденсации облаков
диффузного вещества. Противоположную точку зрения
уже много лет защищает академик В. А. Амбарцумян,
утверждающий, что звезды возникли из сверхплотных
тел неизвестной природы. Однако как бы звезды ни воз-
никли, они независимо от своей предыстории обязательно
попадают на главную последовательность. Это значит,
что самая главная часть разработанной теории звездной
эволюции не зависит от предыстории звезды, а определя-
ется, как неоднократно подчеркивала А. Г. Масевич,
теми физическими характеристиками — масса, химичес-
кий состав, момент вращения, магнитное поле и др.,
с которыми звезда вступила на главную последователь-
ность. Время жизни звезды в этой самой длительной ста-
дии ее существования пропорционально 1010M/L лет,
где М и L соответственно масса и светимость (для Солнца
равные 1).
Выгорев в ядре Солнца, водород начнет выгорать
в прилегающих к нему слоях солнечного шара. Это будет
сопровождаться сжатием ядра и распуханием внешних
оболочек. В более массивных звездах после исчерпания
водородных ресурсов в ядре может начаться тройной
a-процесс (3 |Не~> ^С + у), в ходе которого гелий пре-
вращается в углерод. Такой процесс требует не только
перестройки звезды, но и повышения ее температуры до
108 К. При столь высоких температурах в недрах звезд
могут начаться реакции с. образованием не только ядер
новых химических элементов, но и свободных нейтронов,
способных вступить в ядерные взаимодействия, порож-
дающие все более и более тяжелые химические элементы
(кислород, неон, магний, железо). Так в ходе звездной
эволюции рождаются тяжелые элементы.
По мере роста температуры внутри звезды увеличи-
вается нейтринная утечка энергии. Происходит она (как
и все, связанное с нейтрино) незаметно. Незаметно проиг-
рывают крупные суммы и несчастливцы-игроки, собираю-
щиеся вокруг рулетки в казино URGA (Рио-де-Жанейро).
Из такой аналогии родилось в астрофизике понятие
«УРКА-процесса», сопровождающегося испусканием нейт-
рино и безвозвратной утечкой энергии.
Звезды типа нашего Солнца спокойно заканчивают свой
жизненный путь, превращаясь в белые карлики и посте-
пенно остывая. Чудовищными фейерверками завершается
118
активная часть жизни массивных звезд, внутри которых
при температурах в несколько миллиардов градусов обра-
зовались элементы группы железа и исчерпаны запасы
ядерной энергии. Такие звезды неустойчивы, их меха-
ническое и тепловое равновесие может нарушиться. Имен-
но эти звезды взрываются как сверхновые, сбрасывая
оболочки и насыщая среду ядрами тяжелых химических
элементов. Ныне считается, что они в зависимости от ис-
ходной массы порождают нейтронные звезды (которые в
активной фазе проявляют себя в виде пульсаров) или даже
такие коллапсирующие объекты, как «черные дыры».
ФИЗИКА «ЭКЗОТИЧЕСКИХ» СОСТОЯНИЙ
С чего начинается «экзотика»? Это зависит от того, что под
ней понимать. Если считать экзотическими столь свойст-
венные Космосу экстремальные значения температуры,
энергии, массы, плотности, напряженности различных по-
лей и т. д., то, пожалуй, Космос — сплошная экзотика.
Если же относить к экзотике состояния, невоспроизво-
димые на Земле, то круг возможностей заметно умень-
шится. Однако и в этом случае в центре указанного круга
обязательно окажутся пульсары, о которых известный
американский физик и астрофизик Ф. Дайсон писал:
«Самую волнующую часть физики в настоящий момент
(имеется в виду 1970 г.— Е. Л.) следует искать на гра-
нице физики с астрономией, где мы натолкнулись на уда-
чу, которая редко нисходит к людям,— открыли пульса-
ры. Пульсары оказались такой лабораторией, в которой
можно изучать свойства вещества в условиях, в миллион
раз более экстремальных, чем те, которые до сих пор были
нам доступны, уникальной лабораторией, где будет воз-
можна проверка физических теорий, перекрывающих
многие разделы физики от сверхтекучести до общей теории
относительности» ♦.
Пульсары — прекрасный образец незапланированного
открытия. Их не искали, как ищут кварки, монополи или
гравитационные волны. Их вообще никто никак не искал,
потому что никто не подозревал об их существовании. Их
* Ф. Дайсон, Д. Тер-Хаар, Нейтронные звезды и пульсары,
М., «Мир», 1973, с. 10,
119
открыли, не увидев. Но это не было открытием «на кон-
чике пера», открытием, предсказанным теорией (хотя то,
чем оказались пульсары, тщетно старались найти давно).
Их услышали, причем не поверили тому, что услышали.
На расстояниях, лишь в десятки и сотни раз превы-
шающих расстояния до ближайших звезд, были обнару-
жены радиоисточники, мощные импульсы излучения
которых повторяются через строго постоянные и очень ко-
роткие промежутки времени. Английский ученый профес-
сор А. Хьюиш и его коллеги из Кембриджского универси-
тета не собирались открывать нейтронные звезды,— они
хотели исследовать радиомерцание внегалактических объ-
ектов, в том числе и квазаров. Среди ожидаемых мерцаю-
щих источников аспирантка Хьюиша Ж. Белл нашла
странный ритмично пульсирующий источник. Это был пер-
вый пульсар СР 1919, который, как потом выяснилось,
посылал импульсы с интервалом в 1,33730113 с.
Англичане проявили большую выдержку, терпение
и осторожность: первый пульсар был открыт в августе
1967 г.; в ноябре 1967 г. ученые уже не сомневались, что
это космический источник, но лишь 28 февраля 1968 г.
(т. е. почти через полгода — срок этот в наш век считает-
ся очень большим и чреватым потерей приоритета) поя-
вилась публикация. Хьюиш не раз говорил, что первая
мысль, посетившая исследователей, открывших пульсары,
была неприятная для них мысль о том, что сигналы посы-
лают жители внеземных цивилизаций.
Сейчас известно свыше ста пульсаров, накоплены сведе-
ния о периодах, форме и структуре их импульсов, види-
мом и пространственном распределении пульсаров, обна-
ружен оптический пульсар в Крабовидной туманности
и т. д. Пульсарам посвящено множество статей, обзоров,
научно-популярных книг.
Обратимся прежде всего к интересующему нас вопро-
су: какое отношение к фундаментальным проблемам фи-
зики и астрофизики имеют далекие пульсирующие источ-
ники? Ответ на него стал выясняться после того, как
теоретики, принявшись за объяснение феномена пульсара,
остановились на варианте, согласно которому пульсары —
это быстровращающиеся намагниченные нейтронные звез-
ды с осью вращения, не совпадающей с магнитной осью.
Нейтроны были открыты в 1932 г., но уже через не-
сколько лет выдающиеся астрономы-наблюдатели (В. Ба-
120
аде и Ф. Цвикки) и выдающиеся физики-теоретики
(Л. Д. Ландау, Р. Оппенгеймер и др.) заговорили о ней-
тронных звездах. Отождествлением пульсаров с нейтрон-
ными звездами (это случилось лишь в конце 1968 г.) за-
вершилась многолетняя история поиска нейтронных
звезд, которые, по выражению И. С. Шкловского, долго
оставались неуловимыми, подобно «синей птице». Воз-
можно, что не все нейтронные звезды — пульсары, но,
скорее всего, почти любой пульсар (за исключением,
может быть, некоторых рентгеновских пульсаров) — ней-
тронная звезда. Нейтронных звезд, не являющихся пуль-
сарами, пока никто нигде не обнаружил. За открытие
пульсаров английский радиоастроном Э. Хьюиш был
в 1974 г. удостоен Нобелевской премии. Впервые за вре-
мя существования этой премии ее получили астрономы
(Э. Хьюиш и М. Райл — английский ученый, являющий-
ся автором ряда выдающихся исследований в области
радиоастрономии), причем формально премия была при-
суждена им по разделу физики.
Нейтронные звезды — это сверхплотные звезды. До
их открытия рекордсменами считались белые карлики,
в недрах которых достаточно экзотические условия, даже
если рассматривать их с позиций сегодняшнего дня. Уже
при плотности 103 г/см3 (т. е. при плотности, которая может
встретиться только во внешних слоях белого карлика)
звездное вещество вырождается, в недрах же белых кар-
ликов плотность может достигнуть 109 г/см3. К вырожден-
ному газу, подчиняющемуся законам квантовой механики,
законы идеального газа неприменимы. Например, при
одних и тех же больших плотностях давление электрон-
ного газа сильнее зависит от плотности, чем давление
идеального газа, а от температуры давление электронно-
го газа не зависит.
Конечно, вещество белого карлика состоит не только
из быстро движущихся электронов. Мы уже знаем, что
в недрах белых карликов водород превратился в гелий.
Но ядра атомов гелия движутся с тепловыми скоростями,
их энергия много меньше энергии электронов, которые
и определяют давление вырожденного газа. Необычные
условия в недрах белых карликов — результат сильного
сжатия, которому подверглось вещество в ходе эволюции
звезды: только давление вырожденного газа оказалось
способным противостоять гравитационным силам в сжи-
121
мающейся звезде сравнительно небольшой массы. Раздав-
ленные атомы превратились в плотную груду движущихся
голых ядер и электронов. Ядра атомов, в которых сосре-
доточена практически вся масса атомов, сблизились,
и в каждом кубическом сантиметре их оказалось неизме-
римо больше, чем в веществе обычной звезды. Отсюда
и громадная плотность. И все-таки вещество — «газ», так
как в нем расстояния между частицами «по-прежнему»
велики в сравнении с размерами частиц. «По-прежнему»
взято в кавычки не случайно, ибо расстояния уже не
те — па смену размерам, характерным для атомов, при-
шли размеры электронов и протонов — 10“13 см.
Теперь представим, что масса сжимающейся звезды
заключена в пределах от 1,2 до 2 солнечных масс. Сжатию
такой звезды давление вырожденного газа противостоять
не может. Если вы можете вообразить себе Солнце в виде
шара радиусом около 10 км, то вот такой и будет нейтрон-
ная звезда с плотностью 1014—1015 г/см3, близкой к плот-
ности атомного ядра.
Проявившиеся еще на стадии белых карликов процес-
сы нейтронизации определяют судьбу нейтронной звезды.
В ходе этих процессов ядра атомов поглощают электроны,
а те превращают в нейтроны содержащиеся в ядрах про-
тоны. Процесс нейтронизации сопровождается испуска-
нием нейтрино. Продолжая сравнение с ядром атома,
иногда говорят, что нейтронная звезда подобна колоссаль-
ному атомному ядру, которое перенасыщено нейтронами,
в которой нейтроны и протоны удерживаются не внутри-
ядерными, а гравитационными силами.
Вещество нейтронной звезды — это вырожденный ней-
тронный газ. Тонкости ядерных взаимодействий в вещест-
ве таких звезд изучены еще недостаточно, но уже есть
основания думать, что в их недрах вещество находится
в сверхтекучем состоянии.
Сверхтекучесть при температуре 100 млн. градусов —
явление, казалось бы, совершенно невероятное. Но уж
таковы законы физики: если внутри нейтронных звезд
каким-то образом возникнут условия, порождающие
сверхтекучесть, то сверхтекучесть там возникнет. На этом
следует остановиться подробнее.
Открытие сверхтекучести связано с классическими
опытами, которые в 1937 г. проводил с жидким гелием
академик П. Л. Капица. Заметьте: опять гелий. Это
122
тот «солнечный газ», который сначала был открыт на Солн-
це, а лет через тридцать и на Земле; газ, который вдруг
так сильно понадобился для развития техники (вспомните,
к примеру, о роли гелия в воздухоплавании, ведь сегод-
ня все чаще можно слышать, что наполненные гелием ди-
рижабли будут широко использоваться для транспорти-
ровки тяжелых крупногабаритных грузов); газ, с ядрами
атомов которого связаны опыты Резерфорда, открывшие
путь к нашим знаниям о строении атома. Список заслуг
гелия можно было бы легко продолжить, вспомнив о роли
гелия в термоядерных реакциях, о распространенности
гелия в современной нам Вселенной и, наконец, о пробле-
ме гелия в «горячей» Вселенной (об этом речь впе-
реди).
Сейчас же мы должны напомнить только о парадок-
сальных свойствах гелия при низких температурах.
Даже вблизи абсолютного нуля гелий представляет со-
бой жидкость, которая не замерзает, если не подвергать
ее давлению 25 ат и более. Сверхтекучесть, обнаружив-
шаяся у этой странной жидкости (гелий II) при темпера-
туре ниже 2,19 К, сопровождается необычными явления-
ми. Зта жидкость свободно вытекает через очень узкую
щель в дне сосуда, способна сама выбраться из пробирки,
удалось даже «отфильтровать» жидкость от содержащего-
ся в ней тепла, она может одновременно «двигаться и не
двигаться» (как будто состоит из вязкой и сверхтекучей
жидкости) и т. д. Все диковинные свойства жидкого гелия
есть следствие того, что гелий II — это единственная на
Земле квантовая жидкость, это один из уникальных слу-
чаев, когда в макроскопических масштабах проявляются
законы микромира.
Трудами советских ученых (Л. Д. Ландау, И. М. Ха-
латников, Н. Н. Боголюбов и др.) создана квантовая тео-
рия сверхтекучести, подтвержденная впоследствии ост-
роумными экспериментами. Многие из этих экспериментов
выполнены академиком АН Грузинской ССР Э. Л. Анд-
роникашвили и его учениками. Теория и эксперимент
подтверждают, что в сверхтекучести проявляется кванто-
вание механического движения, по масштабам кванто-
вания соизмеримое с масштабами сосуда, в котором
вращается жидкий гелий. Вращение порождает в гелии
систему маленьких (но макроскопических!) вихрей, кото-
рые выстроены параллельно оси вращения и вокруг ко-
123
торых движутся атомы гелия. В жидкости возникает ре-
шетка из вихревых нитей, в которой распространяются
разные сорта звуков. Два из них открыл Л. Д. Ландау:
«первый звук» переносит давление, а «второй»— тепло.
Скорости этих звуков различаются в 12 раз. Еще один
звук, распространяющийся перпендикулярно квантовым
вихрям, был открыт в 1966 г. молодым физиком из Под-
московья В. К. Ткаченко. В отличие от «звуков Ландау»,
давно обнаруженных в эксперименте, «волны Ткаченко»,
распространяющиеся с малой скоростью, эксперимента-
торы нашли далеко не сразу.
Поскольку «жидкости», наполняющей нейтронные
звезды, приписываются еще и свойства сверхпроводимо-
сти, придется остановиться и на этом явлении, исследова-
ние которого шло параллельно исследованию сверх-
текучести. Сверхпроводимость известна с 1911 г., ее от-
крыл голландский физик Камерлинг-Оннес, эксперимен-
тируя с ртутью. Сверхпроводимостью, т. е. свойством
проводить электричество без всякого сопротивления,
обладают очень многие металлы. Но обнаруживается
сверхпроводимость только при низких температурах,
причем каждый металл или сплав имеет свою критичес-
кую температуру, выше которой сверхпроводимость не
наблюдается. Рекордная из достигнутых критических
температур сплавов чуть выше 20 К, что лишь в пять раз
больше, чем критическая температура ртути.
От открытия явления сверхпроводимости до его объяс-
нения прошло почти полвека. Американские физики
Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шрифер в конце 60-х годов
создали теорию сверхпроводимости, главная идея кото-
рой сводится к объяснению этого феномена появлением
спаренных электронов. Преодолеть кулоновское отталки-
вание электронам помогают колеблющиеся ионы в кри-
сталлической решетке. Хотя «куперовские пары» — это
довольно «широкие» пары (в одном и том же объеме про-
странства может одновременно находиться несколько
пар), в спаренном состоянии электроны в металле не рас-
сеиваются, а это и нужно, чтобы исчезло сопротивление
и металл стал сверхпроводником.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость — родственные
явления: отсутствие сопротивления можно рассматривать
как сверхтекучесть электронов. В сверхпроводнике, как
и в сверхтекучей жидкости, наблюдается макроскопичес-
кое квантование, но квантуется здесь величина магнит-
ного потока. Представление об этом квантовании связано,
в частности, с «эффектом Мейсснера». В 30-х годах немец-
кий физик-экспериментатор В. Мейсснер установил, что
из сверхпроводника выталкивается магнитное поле, кото-
рое существовало, если металл охлаждается в магнитном
поле. Замечательное явление позднее было обнаружено
в сверхпроводящих кольцах: из таких колец поле вытал-
кивается, а внутри остается «замороженный» пучок си-
ловых линий. Теория и опыт указывают на то, что этот
поток квантован, т. е. кратен определенному числу (фун-
даментальной константе квантовой механики).
Общность явлений сверхпроводимости и сверхтеку-
чести обусловлена тем, что атомы гелия, как и все частицы
с целым вращательным моментом — спином, относятся
к бозонам и неограниченное количество их может нахо-
диться в одном и том же состоянии. Именно поэтому вбли-
зи абсолютного нуля возможен сверхтекучий конденсат
из таких частиц — жидкий гелий. Электроны, имея полу-
целый спин, к бозонам не принадлежат, но спаренные
электроны становятся бозонами. У них, как и у атомов
гелия, спин равен нулю. Поэтому и говорят, что сверхте-
кучесть «куперовских пар» представляет собой сверх-
проводимость.
Какое все это имеет отношение к нейтронным звездам?
По мнению теоретиков, нейтронные звезды устроены сле-
дующим весьма диковинным образом. В центре загадоч-
ное ядро, в котором при плотности 1015 г/см3 могут на-
ходиться не только нуклоны и электроны, но и мезоны
и гипероны. Далее идет мантия, состоящая из сверхтеку-
чей нейтронной жидкости и сверхпроводящей протонной.
Еще одна уникальная особенность нейтронной звезды —
твердая кора (при температуре около миллиона граду-
сов!). Нейтронная звезда имеет атмосферу в виде своеоб-
разной плазменной оболочки, где плотность вещества
иорядка 108—1010 г/см3 (при такой плотности газ вырож-
дается). Нелегко вообразить и магнитосферу нейтронной
звезды, ведь из-за чудовищной напряженности плотность
магнитного поля пульсара сравнима с плотностью свин-
ца. Твердая кора нейтронной звезды может, по мнению
некоторых ученых, обладать прочностью стали при са-
мых высоких давлениях. Что это? Кристаллизация в звезд-
ных условиях? Да, так как температура плавления элект-
1 125
ронпо-ядерной плазмы, плотность которой превышает
1010 г/см3, раз в сто выше, чем температура поверхностных
слоев нейтронной звезды.
А из чего же все-таки следует существование квантовой
мантии нейтронной звезды? Оказывается, условия, гос-
подствующие в недрах нейтронной звезды, благоприятны
для образования нейтронных и протонных пар. Такие
пары, являясь бозонами, могут вести себя подобно части-
цам в жидком гелии, причем нейтронные пары обеспечат
сверхтекучесть, а протонные — сверхпроводимость.
Дальнейшие исследования позволят выяснить, на-
сколько близки к истине такие представления о внутрен-
нем строении нейтронной звезды. Но уже сейчас, во-пер-
вых, можно указать на одно важное явление, объясняе-
мое с точки зрения этих представлений. И, во-вторых,
сослаться на некий модельный эксперимент. В 1969 г.
у двух наиболее «быстрых» пульсаров (PSR 0833 и
NPO532) астрономы зарегистрировали скачкообразное
изменение периодов. Это явилось неожиданностью, пото-
му что излучение пульсаров уже успело прославиться
своей неправдоподобной стабильностью. Впрочем, было
ясно, что возможно очень медленное увеличение периода,
так как вращение, энергия которого расходуется на из-
лучение пульсара и ускорение частиц, должно постепенно
замедляться. Но скачки в изменении периода никто не
предсказывал. Когда же они были обнаружены (у первого
пульсара период уменьшился на 2-10~7 с, а у второго —•
на 7,7с), потребовалось объяснить, в чем дело,
и ответить на вопрос, почему после скачка период стал
возрастать быстрее, чем раньше.
Однозначного объяснения пока нет. Но среди тех ги-
потез, которые были предложены, очень интересна гипо-
теза звездотрясения. Она исходит из того, что естествен-
ное замедление вращения пульсара сопровождается по-
явлением разломов и сдвигов в твердой коре, которая не
может плавно менять свою форму и приспосабливаться
к уменьшению центробежной силы. Результат такой сей-
смической разрядки — уменьшение момента инерции
и увеличение скорости вращения. Но мы знаем, что во
вращающейся квантовой жидкости существует система
вихрей. Если под твердой оболочкой нейтронной звезды
действительно находится вращающаяся квантовая жид-
кость, то ее вихревая решетка способна проявиться во
126
время звездотрясения, которое как бы освещает внутрен-
ности нейтронной звезды.
Ученики Андроникашвили проделали в Институте
физики АН Грузинской ССР любопытный эксперимент.
Наблюдая вращение жидкого гелия в стеклянном шаре,
они следили за тем, как сообщенный стеклу импульс
постепенно передавался внутренним слоям жидкости.
Выступая на страницах «Правды» (6 мая 1974 г.),
Э. Л. Андроникашвили рассказал, что для объяснения
законов движения этой лабораторной нейтронной звезды
пришлось использовать все достижения теории сверхте-
кучести.
Профессор Ю. Б. Румер, открывший в 1938 г. совмест-
но с Ландау теорию электронных ливней в космических
лучах и написавший в соавторстве с ним известные научно-
популярные произведения, вспоминает о своеобразных
огорчениях молодого Ландау, жаловавшегося на то,
что, подобно всем хорошим девушкам, которые уже вышли
замуж, все хорошие задачи решены и вряд ли можно най-
ти что-нибудь достойное среди оставшихся. Но известно,
что Ландау нашел и решил не одну задачу, каждая из
которых могла бы прославить его имя. Много «хороших»
задач осталось и после Ландау. И уж, во всяком случае*
не меньше появилось новых. Ряд из них связан с
пульсарами. «Пульсары,— неоднократно подчеркивал
В. Л. Гинзбург, один из учеников и соратников Ландау,—
находятся не только в фокусе интересов сегодняшнего
дня, но, по всей вероятности, останутся в центре внимания
еще многие годы и даже десятилетия» *.
Но, вероятно, пульсарами не исчерпывается астрофи-
зическая экзотика. Известный американский астроном
А. Сендидж, выступая в 1968 г. на XIV съезде Междуна-
родного астрономического союза, сказал: «Никто из астро-
номов не стал бы сегодня отрицать, что тайна и в самом
деле окружает ядра галактик, и первым, кто осознал,
какая богатая награда содержится в этой сокровищнице,
был Виктор Амбарцумян» **.
К исследованию активности ядер галактик В. А. Ам-
барцумян приступил, имея за плечами богатейший опыт
* В. Л. Гинзбург. Некоторые проблемы физики и астрофизики.—»
В кн.: Физика сегодня и завтра. «Наука», Л., 1973, с. 46.
** Цит. по кн.: Ю. Н. Ефремов. В глубины Вселенной. М., «Нау-
ка», 1973, с. 181.
127
астрофизика-теоретика. Созданная четверть века назад
и руководимая В. А. Амбарцумяном Бюраканская астро-
физическая обсерватория стала общепризнанным центром
исследования активности ядер галактик. Активность
ядер галактик — удивительное и загадочное явление,
сопровождающееся истечением газа, выбросами газо-
вых струи, взрывами и нетепловым излучением. Недавно
удалось измерить размеры источника активности и уста-
новить, что, по-видимому, он не больше 1018 см (напомним,
что 4 пс = 3,086-1018 см, а радиус нашей Галактики
30 тыс. пс). Но что представляет собой этот источник,
неизвестно.
Активные процессы происходят и в ядре нашей Га-
лактики, сопровождаясь таинственными выбросами ве-
щества (до 1,5 солнечной массы в год). Есть немало галак-
тик, отличающихся большой радиосветимостью, которая
вызвана активностью их ядер. Это — радиогалактики.
Но если мощность радиоизлучения сильных радиога-
лактик порядка 1041 эрг/с, то мощность радио- и инфра-
красного излучения квазаров достигает IO46—1048 эрг/с,
что соответствует излучению 1013—1015 Солнц! Столь бур-
ное существование квазаров продолжается 10 млн. лет.
Квазары овладели умами астрономов почти на пять
лет раньше, чем пульсары. Однако до сих пор мало что
известно о природе этих необычных звездных объектов.
Квазары принимали за ближайшие звезды, объявляли
самыми далекими объектами Вселенной, о них говорили,
конечно, и как о проявлениях деятельности внеземных
сверхцивилизаций. Скорее всего, ядра квазаров это все-
таки не звезды и не простое скопление звезд, а какой-то
новый, пока еще загадочный тип компактных (1017 см)
и очень массивных (107 — 109 солнечных масс) небесных
тел, имеющих немало сходных черт с ядрами галактик
и находящихся от нас на расстояниях миллиардов све-
товых лет. Квазары — это и надежда ученых обаружить
в Космосе что-нибудь совсем сверхэкзотическое и еще одно
напоминание о том, как много нового и неизведанного
предстоит открыть человеку. Видимо, даже при перечис-
лении типов небесных тел (звезды, планеты и т. п.) не
нужно в конце ставить точку, а лучше поставить много-
точие.
Физики привыкли искать во Вселенной то, что не
удалось найти на Земле. Но поиск есть поиск, а значит,
128
и не всегда удача. Нейтронные звезды нашли, различный
виды элементарных частиц в космических лучах нашли,
многое другое в Космосе нашли, а вот кварки, например,
не нашли. Это образец несостоявшегося (а быть может
пока несостоявшегося) открытия. Придумали кварки с
целью объяснить закономерности, установленные для
адронов (элементарных частиц, участвующих в силь-
ных взаимодействиях). Американский физик Гелл-Ман
и швейцарский физик Г. Цвейг в начале 60-х годов неза-
висимо друг от друга высказали гипотезу о существова-
нии кварков, частиц, имеющих дробный барионный и
электрический заряды, комбинируя которые можно по-
лучить различные сильно взаимодействующие частицы.
«Три кварка»— таинственный крик, который будто
бы услышал в кошмарном бреду герой романа Дж. Джой-
са «Поминки по Финнегану». Уж если сейчас и взывать
к кваркам, то не к трем, а к большему их числу, ибо, убе-
дившись в недостаточности трехкварковой схемы, физи-
ки-теоретики смело стали придумывать более сложные
системы кварков. Для этого сначала кварки «окрасили»,
приписав им три цвета — желтый, синий и красный. Таким
образом получилось уже не три, а девять цветных квар-
ков, из которых можно сконструировать любую «белую»
частицу. Но потом и этого оказалось мало: был введен
четвертый кварк.
Когда-то слушателей популярных лекций по физике
элементарных частиц поражали тем, что среди многих
диковинных свойств этих частиц есть и такое, как стран-
ность. Но теперь странностью не удивишь, ведь среди
квантовых чисел появилось такое, как чарм, а значит,
и частицы с явным и скрытым очарованием. Теперь гово-
рят об очарованных кварках, а во многих лабораториях
экспериментаторы охотятся за очарованными частицами
и, похоже, успешно. И кто знает, может быть, когда-ни-
будь среди привычных названий научно-популярных
лекций появится новая тема: «Очарованные частицы во
Вселенной».
Интерес к кваркйм не только чисто композиционный,
хотя, конечно, приятно так просто конструировать эле-
ментарные частицы. Дело еще и в том, что кваркам при-
писываются массы в 10—20 раз большие, чем масса про-
тона и нейтрона, в состав которых входят кварки. А это
значит, что если бы элементарные частицы состояли из
5 Е. П. Левитан
129
кварков, то, разбивая частицы на кварки, можно было
бы освобождать огромную энергию...
Не найдя кварки в опытах с ускорителями, физики
стали искать их в окружающей нас природе (например,
в водных бассейнах, где якобы могли сохраниться квар-
ки, образованные космическими лучами), в космических
лучах, в метеоритах и даже в прошлом Вселенной. Но
увы! Одни теоретики, отчаявшись, начали обосновывать
мысль о том, что кварков и не должно было быть. Дру-
гие, как мы видели, решили «размножать» кварки, приду-
мывая новые их сорта. Но и это не помогло поискам.
Так есть ли кварки? Этого никто не знает. Во всяком
случае, отрицать существование кварков, основываясь на
том, что они не обнаружены, значит забывать уроки ис-
тории ядерной физики. Они документально свидетельст-
вуют о том, что от предсказания частиц до их обнаруже-
ния, как правило, дистанция огромного размера. Да по-
может физикам Вселенная, как она это делала уже не
раз.
Впрочем, надежды на Вселенную возлагаются не толь-
ко в этом плане. Среди многих новых задач есть одна ис-
ключительно «хорошая», чрезвычайно важная, но очень-
очень сложная. Она связана с проблемой рождения за-
ряженных частиц и античастиц. Уже из эйнштейновской
теории фотоэффекта следовало, что процесс излучения
света — это процесс рождения фотонов. Рождаются, при-
чем парами, и любые другие частицы, начиная от электро-
на и позитрона и кончая тяжелыми частицами, а энергия,
затраченная на создание пары, выделяется при аннигиля-
ции. Для рождения частиц необходимы электрические
поля с напряженностью порядка 101в В/см. Энергия та-
кого поля равна 102в эрг/см3, что соответствует плотности
105 г/см3. Подобные поля могут существовать вблизи
ядер атомов сверхтяжелых, еще не открытых химичес-
ких элементов. Сильные поля (всего на три порядка мень-
шие, чем те, которые требуются) удается в лаборатории
создать с помощью лазеров.
Это в земной лаборатории. А в космической? Академик
Я. Б. Зельдович увлечен идеей рождения частиц в силь-
ных гравитационных полях из... вакуума. Сразу же на-
помним, что вакуум—не пустота, в которой ничего нет,
а наинизшее энергетическое состояние всех полей. В ва-
кууме нет реальных частиц; появившиеся в нем частицы
130
(например, электрон и позитрон) тотчас же аннигилируют,
а потому говорят не о реальных, а о виртуальных (могу-
щих появиться) частицах. Можно подсчитать энергию
гравитационного взаимодействия виртуальных частиц,
которая обусловливает отличную от нуля плотность энер-
гии вакуума, а разделив плотность энергии на секунду в
квадрате, получим плотность массы вакуума или плотность
вакуумной жидкости. Вот примерно так, из ничего, фи-
зики «сделали» среду, в которой, по их мнению, могут
рождаться частицы.
Рождаются ли частицы из вакуума на самом деле?
Или, быть может, все, что могло, родилось когда-то на
дозвездной стадии Метагалактики? Или вообще не удаст-
ся найти во Вселенной процессов рождения, интересных
для науки и для практики людей? Ответить на эти вопро-
сы трудно, если вообще возможно. Но в утешение читате-
лей нам очень хочется привести те слова Я. Б. Зельдо-
вича, которые показывают важность и романтичность
проблемы. Вот эти стихи в прозе, подобных которым так
мало, к сожалению, в научно-популярной литературе:
«Меня в последнее время рождение пар частиц увле-
кает настолько, что я почти не в состоянии заниматься
ничем другим. Это наваждение захватывает меня все
больше. Когда я вижу человеческую пару — он и она,—
мне уже трудно поверить, что они родились по отдельно-
сти и потом встретились. Древнегреческая легенда гово-
рит, что души влюбленных рождаются парами, потом они
разделяются, не так ли частицы выныривают из вакуума
в разных точках пространства, а после мучительно ищут
того партнера, с которым когда-то родились. Счастье
встречи этого единственного, пронзающая острота сое-
динения — разве все это не похоже на аннигиляцию час-
тицы и античастицы?» *.
* Я. Б. Зельдович. Рождение элементарных частиц.— В кн.: Бу-
дущее науки. Международный ежегодник. Выл. 5. М., «Знание»,
1972, с.54.
5*
ВСЕЛЕННАЯ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ОТО
Мы хотим не только знать, как устроена
природа (и как происходят природные
явления), но и по возможности достичь
цели, может быть, утопической и дерзкой
на вид,— узнать, почему природа яв-
ляется именно такой, а не другой.
А. Эйнштейн, 1929 г.
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ МЕТАГАЛАКТИКА
В своей «Творческой автобиографии» Эйнштейн расска-
зал о том, как, убедившись, что «в рамках частной теории
относительности нет места для удовлетворительной тео-
рии тяготения», он стал размышлять над возможными
путями ее создания, как от идеи о равенстве инертной
и гравитационной массы он пришел к постулату об инва-
риантности законов не только по отношению к преобра-
зованию Лоренца, но и «относительно нелинейных пре-
образований координат в четырехмерном континууме».
И хотя эта мысль овладела ученым в 1908 г., ему понадо-
билось еще семь лет для того, чтобы построить об-
щую теорию относительности, ибо оказалось «не так
легко освободиться от представления, что координаты
имеют прямой метрический смысл» * (т. е. что разность
координат равна измеряемой длине или промежутку
времени).
В годы, когда Эйнштейн работал над созданием ОТО
(1905—1915), астрономы представляли себе мир совсем
не так, как сегодня. Большинство из них считало, что
Галактика —это и есть «вся Вселенная», а «великий спор»
известных астрономов X. Шепли и Г. Кертиса о месте
Солнца в Галактике и о природе внегалактических объек-
* А. Эйнштейн. Физика и реальность, М,, «Наука», 1965, с, 156.
132
тов происходил уже позднее, в 1920 г. Другими словами,
человечеству, обитающему на крохотной пылинке миро-
здания, еще предстояло открыть Метагалактику и при-
ступить к ее астрономическому и астрофизическому ис-
следованию.
В настоящее время всю охваченную астрономически-
ми наблюдениями часть Вселенной принято называть
Метагалактикой или просто «нашей Вселенной» (хотя
никаких других «вселенных» никому, конечно, открыть
еще не удалось). Это не только мир галактик, это мир ги-
гантских скоплений и сверхскоплений, иногда насчиты-
вающих тысячи и даже десятки тысяч галактик. В этом
мире наша Галактика ничем особенным (хотя это и ги-
гантская спираль) не отличается от множества других,
подобных ей. Открытие мира галактик разрушило послед-
ние надежды тех, кто, убедившись в несостоятельности
геоцентризма и гелиоцентризма, еще надеялся на исклю-
чительную роль нашей Галактики во Вселенной. Правда,
на некоторое время искра надежды вспыхнула еще раз
в связи с открытием самого грандиозного явления приро-
ды — разбегания галактик.
Почти 60 лет назад В. Слайфер начал измерять луче-
вые скорости наиболее ярких галактик и к 1924—1925 гг.
получил результаты измерений свыше 40 спектров раз-
личных галактик. Обнаружилось, что в подавляющем
большинстве случаев линии в спектрах смещены к крас-
ному концу. Отношение изменения длины волны (ДА)
к самой длине волны (X) было одинаковым для всех линий
спектра данной галактики; z = ДАД (красное смещение).
Объяснив красное смещение эффектом Допплера, можно
было по известной формуле vic = ДАД (где с — скорость
света) вычислить скорости удаления галактик. Они ока-
зались немалыми — сотни километров в секунду.
В конце 20-х годов новое и главное слово в этой проб-
леме сказал Э. Хаббл (1889—1953). Эдвину Хабблу было
25 лет, когда он, юрист по образованию и опыту работы,
заинтересовался астрономией и начал изучать ее в Чикаг-
ском университете. Впоследствии, работая на крупней-
ших в мире телескопах, Хаббл сделал ряд важных от-
крытий преимущественно в области внегалактической
астрономии. Среди них одним из самых выдающихся по
праву считается открытый Хабблом фундаментальный
закон природы, согласно которому скорость удаления
133
галактик v пропорциональна расстоянию г, т. е. v =
&= Hr (или cz == Hr), где Н — коэффициент пропорци-
ональности! названный постоянной Хаббла. Точнее, как
мы увидим далее, постоянной можно считать Яо, т. е.
значение коэффициента Хаббла в современную эпоху
расширения Метагалактики. Проверенный вначале на
небольшом числе относительно близких к нам галактик,
закон Хаббла был подтвержден в дальнейшем на обширном
материале наблюдений, охватывающих множество сла-
бых (далеких) галактик.
Сейчас оптическим телескопам доступны галактики,
находящиеся на расстоянии свыше 3—4 млрд, световых
лет и удаляющиеся со скоростями более 100 тыс. км/с.
Уже в этом объеме пространства должно быть несколько
миллиардов галактик! Но с помощью радиотелескопов
астрономы проникли и в более отдаленные области Все-
ленной, ведь ближайший из квазаров (3C273) находится
на расстоянии 1,5 млрд, световых лет, а открытому в
1973 г. квазару 0Н471, имеющему красное смещение
z = 3,40, приписывается скорость v = 0,9 си расстояние
от нас г = 12 млрд, световых лет! В области столь боль-
ших z и г неприменима не только обычная формула
для z, но и теряет смысл привычное понятие «рассто-
яние».
Однако прежде чем говорить об этом, следует отме-
тить, что Н — одна из важнейших мировых констант.
Определение ее значения из наблюдений — задача очень
сложная, а потому неудивительно, что принятое ныне зна-
чение И ж 54 км/С’Мпс, найденное в конце 1972 г. аме-
риканскими астрономами А. Сэндиджем и Г. Тамманом,
в десять раз меньше первоначально найденного Хабблом
в 1936 г. *
Вместе с изменением представлений о величине Я,
изменилось представление о длительности процесса рас-
ширения Метагалактики. Отличительная особенность это-
го процесса — отсутствие избранного центра: галактики
не убегают ни от нашей, ни от какой-либо другой. Так как
v = Hr, то из любого наблюдательного пункта будет от-
♦ Подробное описание драматических событий, связанных с уточ-
нением шкалы внегалактических расстояний и величины Н,
интересующиеся найдут в кн,: Ю. Н. Ефремов. В глубины Все- 4
ленной
Ш
крываться картина расширяющейся Метагалактики, чего
нельзя было бы утверждать, если бы все галактики, неза-
висимо от их расстояний, удалялись с одинаковыми ско-
ростями от нашей Галактики. И еще: ни сами галактики,
ни даже их тесные скопления, прочно связанные силами
тяготения, в этом расширении не участвуют, а тем более
оно не может быть обнаружено в пределах шаровых звезд-
ных скоплений или, скажем, в солнечной системе. Поведе-
ние всех перечисленных систем небесных тел напоминает
поведение молекул нагреваемого и расширяющегося газа.
В нем, как известно, расстояния между молекулами рас-
тут, а размеры самих молекул, сцементированных вхо-
дящими в них атомами, остаются неизменными.
Итак, если Н ж 54 км/с-Мпс, то, значит, две любые
галактики, расстояние между которыми 1 Мпс (т. е.
—3-1019 км), удаляются со скоростью 54 км/с. Допустим,
что в прошлом эта скорость существенно не отличалась от
нынешней. Тогда время, прошедшее с начала удаления
этих галактик (а значит, и с начала расширения Мета-
галактики), будет Т = 1 Мпс : 54 км/с =5,7«1017 с»
х 19-109 лет.
Из этого примера видно, что при некоторых допуще-
ниях Т = Я-1. Если же в прошлом скорость разбегания
была больше, чем в настоящее время, то 2Z=/=const,
а Я = Я (Z) и иной станет формула для Т.
Выше уже упоминалось, что линейная зависимость
v = cz справедлива лишь для v<^c. Действительно, при
z > 1 вычисленная по этой формуле скорость разбегания
галактик будет v > с. Получается противоречие со спе-
циальной теорией относительности, а ведь в настоящее
время известны объекты, для которых z =’3-5-4. Поэто-
му уже при скорости v 0,15 с приходится пользоваться
более точной формулой, в которой никогда скорость раз-
бегания галактик не достигнет скорости света:
f (1-^-1 1
[ (14-2)2+1
Открытие расширения Метагалактики устраняет ряд
классических неприятностей, например фотометрический
парадокс Ольберса (1826). Речь идет о том, что звезды
и галактики, равномерно заполняющие бесконечное ев-
клидово пространство, должны, ярко сияя на небе, превра-
135
щать ночь в день. Ход рассуждений, приводящий к та-
кому фантастическому выводу, примерно таков: число
небесных светильников, находящихся от нас на расстоя-
нии г, пропорционально г2, а освещенность, создаваемая
на Земле каждым из них, пропорциональна г”2. Значит,
вклад всех этих источников не зависит от г. Число источ-
ников в сферическом слое радиуса г и толщины Дг равно
4лтгг2Дг (где п — средняя пространственная плотность
источников). Очевидно, что если теперь произвести сум-
мирование по всем слоям, заполняющим бесконечное про-
странство, то в результате мы получим бесконечно боль-
шую плотность излучения. Два обстоятельства (взаимное
экранирование звездных дисков и межзвездное поглоще-
ние) избавляют от формальной бесконечности, но и остаю-
щаяся яркость неба, значительно превышающая его яр-
кость в солнечный день, велика.
В расширяющейся Метагалактике фотометрического
парадокса не будет, так как не только расстояние, но
и красное смещение уменьшает вклад каждого источника
света в общее свечение неба. Получается, что вклад ис-
точников света, находящихся за пределами некоторой
границы, равен нулю. Причем, как показывают расчеты,
почти половина светового потока Метагалактики при-
ходится на долю источников ярче 21т, а остальной поток —
на долю более слабых звезд и галактик. Напомним,
что галактика 21-й звездной величины в миллион раз
слабее звезды, едва различимой на небе невооружен-
ным глазом.
Все сказанное основывается на предположении о том,
что смещение линий в спектрах галактик имеет допплеров-
скую природу. Сейчас подобная точка зрения общеприня-
та. Важным доводом в ее пользу следует считать экспе-
риментальное обнаружение красного смещения не толь-
ко в оптическом диапазоне, но и в гораздо более широком
интервале частот — от радиоволн до ультрафиолетовой
области спектра. Безвозвратно ушли в прошлое многие
годы активной борьбы против допплеровской интерпрета-
ции красного смещения, а гипотезы, выдвигавшиеся вза-
мен эффекта Допплера (например, гипотеза старения кван-
тов и пр.), сейчас представляют лишь исторический ин-
терес. Потребовалось немалое время, чтобы преодолеть
психологический барьер, мешавший смириться с неуют-
ным фактом расширения Метагалактики.
136
L
Теперь уже ясно, что Вселенная не может быть ста-
ционарной. И если бы сегодня еще не было открыто крас-
ное смещение и мы не знали бы закона Хаббла, то именно
это казалось бы загадочным, ибо расширение Метагалак-
тики обусловлено свойствами гравитации и, как мы далее
увидим, вытекает не только из ОТО, но и из ньютоновской
теории тяготения. Однако Эйнштейн, работая над созда-
нием ОТО, не знал о расширении Вселенной. Он думал,
что Вселенная равномерно заполнена галактиками, кото-
рые находятся на неменяющихся расстояниях. Такое пред-
ставление даже в рамках теории Ньютона приводит к то-
му, что под действием сил притяжения мир должен сжи-
маться.
Эйнштейну пришлось противопоставить тяготению ка-
кие-то силы отталкивания, введя в уравнения ОТО «лямб-
да-член», содержащий «космологическую постоянную»!
Л ==5‘10“58 см~2. Эта величина очень мала, а значит,
отталкивание, если оно существует, во много раз мень-
ше притяжения. И должно отталкивание проявляться
только в гигантских масштабах Метагалактики. Притя-
жение обусловлено звездами и галактиками, а отталки-
вание пришлось связать с гравитационным воздействием
вакуума. Когда же выяснилось, что Метагалактика рас-
ширяется и что это не только не противоречит, но и вы-
текает из теории, необходимость в лямбда-члене как
будто бы отпала. И действительно, современные космо-
логи обходятся без него, принимая Л = 0.
И все-таки в идее Л =/= 0 «что-то есть». Известно,
например, что в полном соответствии с диалектическим
законом отрицания отрицания в последние годы на ка-
чественно новом уровне стала развиваться идея о физичес-
ком вакууме. Новейшая физика имеет основания подо-
зревать, что среди удивительных свойств вакуумной
жидкости, заполняющей пространство, есть отрицатель-
нее давление, которое приводит к гравитационному оттал-
киванию вакуума. Эта очень интересная проблема нахо-
дится пока еще в начальной стадии разработки, а потому,
оставив ее, мы обратимся к более изученным проблемам
космологии.
137
МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ
Познакомившись с расширением Метагалактики, обра-
тимся к теоретическим проблемам космологии. Космоло-
гия, согласно А. Л. Зельманову, «есть физическое учение
о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всею
охваченного астрономическими наблюдениями мира как
части Вселенной» *. Что же может сказать космология,
какие черты и особенности окружающего мира она спо-
собна выявить?
Оказывается, некоторые важные результаты могут
быть получены даже в рамках ньютоновской теории
тяготения. Лишь в 1934—1935 гг. выяснилось, что нью-
тоновская теория позволяет получить представление
о космологических свойствах Вселенной. Англичане
Э. Милн и В. Мак-Кри показали это, рассмотрев сравни-
тельно небольшой сферический объем, в котором движут-
ся частицы (или галактики!) со скоростями, значительно
меньшими скорости света. Представим себе, что рассмат-
риваемый шар выделен из пространства, заполненного
веществом с постоянной плотностью. В ограниченном объ-
еме такого однородного мира движение частиц, как извест-
но со времен Ньютона, не зависит от внешнего по отноше-
нию к шару вещества.
На «поверхности» шара любая частица будет иметь
скорость Ur и ускорение, определяемое из закона все-
мирного тяготения
dUR __G М
dt Я2 ’
где М = 4/3 лрЯ3 — масса вещества внутри шара. Счи-
тая М = const, а р = р (/) и Я (/), проинтегрируем
это уравнение, предварительно умножив обе его части
на Ur =dR/dt.
UR-%*
R dt
а М dR
Я2 dt *
dt \ 2 RJ dt
GM
R ’
1 rT 2 GM
2r~—~
♦ А. Л. Зельманов. Многообразие материального мира и проб-
лема бесконечности Вселенной.— В кн.: Бесконечность и Все-
ленная. М., «Мысль», 1969, с. 277.
138
Физический смысл постоянной интегрирования оче-
виден: Е —• это полная механическая энергия, представ-
ляющая собой стоящее в левой части выражение суммы
кинетической и потенциальной энергии частицы «единич-
ной массы».
Пусть в момент времени t = to, р = р (to) и U = Hr.
Тогда предыдущее выражение можно будет записать
в виде
Я*(1/2Я« —4/ЗлСр)=£.
Если Е = 0, то кинетическая и потенциальная энергии
равны друг другу по величине и противоположны по зна-
ку; выделенный объем может бесконечно расширяться,
а плотность, соответствующая этому «критическому» со-
стоянию (р«р), получается из уравнения
1/2Н4 — 4/Зл<?ркр = О,
откуда рКр = 3№/8я(г.
При t <С to R (t) <^.R (to). В этом случае величинами
Urti Е можно пренебречь по сравнению с U2R и GMIR.
Тогда
или
dR __
dt V R
я l^ = tY2GM','r.e.Rx^
О
(за начало отсчета времени принят момент, соответствую-
щий «бесконечно» большой плотности).
Так как
М =4/ЗлЯ«(0р(0,
то
Р (0 = ЗМ/4лЯ» = т. е. Р ©с Г2.
При г = Я, U = HR или dRldt = HR. Отсюда
„ 1 dR „
11 ~ R dt и Я ~ 3 t ’
т. е. «постоянная» Н на самом деле зависит от времени
Н = Н (t). Это результат увеличения расстояния (при
постоянной скорости движения по инерции) и результат
самогравитации Метагалактики (тяготения, уменьшаю-
щего И), Значит, и для «возраста» Метагалактики (Г)
439
получается формула, отличающаяся от Т = Я^1, а имен-
но Т = 2/ЗЯ^1. Здесь уже учитывается, что в прошлом
скорость расширения была существенно больше, чем сей-
час. В этой модели Т=13‘109 лет при Я0=54 км/схМпс.
Итак, для одного из простейших случаев получается
модель однородной изотропной Метагалактики, в которой
пространство расширяется, причем для достаточно «ма-
лых» расстояний
U = Яг, R ос р ос Я ос ркр = ЗЯ2/8лС.
Другие модели получаются при рассмотрении случаев,
когда р =/= ркр.
Что же будет при р =/= ркр, т. е. при р < ркр и р > ркр?
Рассмотрим общую формулу скорости расширения
«шара»:
dR
dt “
±2Е ’
Если р < рКр, то £ > 0 и Метагалактика будет неогра-
ниченно расширяться (открытая модель мира). Если
Р > Ркр» то Я < О и расширение сменится сжатием (закры-
тая модель мира). Ну а при р = ркр получается модель
мира с «плоским», т. е. не имеющим кривизны, простран-
ством. Физический смысл этих выводов ясен. В самом
деле, как и при р = ркр, значение р < ркр приводит
к неограниченному расширению, так как в этом случае
кинетическая энергия частицы превышает абсолютную
величину ее потенциальной энергии в поле тяготения.
Если же р > рКр, то преобладать будет потенциальная
энергия. Это и приведет к тому, что в будущем процесс
расширения сменится сжатием. Каждый из этих случаев
можно рассматривать с точки зрения величины начальной
скорости. При большой начальной скорости будет полу-
чаться бесконечное расширение, при малой или недоста-
точно большой расширение когда-нибудь прекратится и
уступит место сжатию.
Существенно, что формулы для р (0 и Н (t) не зависят
от выбора М и R. Сферический объем выделялся совер-
шенно произвольно в бесконечном однородном поле плот-
ности вещества. В дальнейшем мы уже будем рассматри-
вать R (t) не как радиус шара, а как «масштабный фак-
тор», характеризующий расстояние между любой парой
140
точек расширяющейся Метагалактики. Законность пере-
хода от конечного объема к бесконечному связайа сд
свойствами однородного и изотропного пространства, в ко-
тором для любых двух точек v = Hr (Н не зависит ot
положения выбранных точек).
Таким образом, и в ньютоновской теории возможен
переход к однородной и изотропной Метагалактике. При-
чем ’оказывается, что Метагалактика, в которой не меня-
ется количество материи и действуют одни лишь силы тя-
готения (и отсутствуют силы отталкивания), в зависи-
мости от начальных условий может сжиматься или рас-
ширяться, но не может оставаться статичной. Следова-
тельно, могущество ньютоновской теории простирается
и в область космологии. Но здесь этой теории не суждено
было сыграть сколько-нибудь значительную роль. О не-
избежности нестационарной Вселенной возвестила фрид-
мановская космология, основанная на общей теорий
относительности Эйнштейна, а открытие расширения
Метагалактики произошло, как мы уже знаем, вообщё
без всяких теоретических предпосылок, хотя вполне
могло быть стимулировано ими.
«Вод, в которые я вступаю, не пересекал еще никто»,—
эти слова Данте любил повторять замечательный совет-
ский ученый А. А. Фридман (1888—1925) — физик ц
метеоролог, математик и космолог, человек, который, по
выражению Н. М. Гюнтера, «имел высокую душу иссле-
дователя вечных вопросов мироздания и благородный
облик жреца чистого знания» *.
О Фридмане справедливо говорят, что он «на кончике
пера» открыл разбегание галактик и сделал это открытие
за несколько лет до того, как его достоверно обнаружили
астрономы. Выводы, полученные Фридманом, показались
неправдоподобными даже Эйнштейну. «Результаты от-
носительно нестационарного мира,— писал Эйнштейн
в 1922 г., содержащиеся в упомянутой работе (А. Фрид-
ман. О кривизне пространства.— Е. Л.), представляются
мне подозрительными» ♦♦. За этими словами в заметке
Эйнштейна следует еще несколько строк, которые, по
мнению их гениального автора, ясно вскрывали ошибку
в работе Фридмана.
♦ Цит. по кн.: А. А. Фридман. Избранные труды. М., «Наука»,
1966, с. 417.
*♦ Там же, с. 398.
141
Но вскоре Эйнштейн был вынужден признать, что он
сам оказался неправ. Это случилось в 1923 г. В то время
в Берлине находился профессор Ю. А. Прутков, которого
Фридман попросил встретиться с Эйнштейном. Ю. А. Прут-
ков выполнил просьбу Фридмана, и ему не без труда
удалось убедить Эйнштейна в правоте советского ученого.
Вот какую заметку («К работе А. Фридмана „О кривизне
пространства"») опубликовал А. Эйнштейн в 1923 г.:
«В предыдущей заметке я подверг критике названную
выше работу. Однако моя критика, как я убедился из
письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Прутковым,
Основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю ре-
зультаты г. Фридмана правильными и проливающими
новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают
наряду со статическими также и динамические (т. е.
переменные относительно времени) центрально-симмет-
ричные решения для структуры пространства» *.
Позднее, подчеркивая приоритет Фридмана, Эйн-
штейн писал: «Первым на этот путь встал А. А. Фридман» **»
Великому физику нелегко было согласиться с выво-
дами Фридмана. Люди, лично хорошо знавшие Эйнштей-
на, вспоминают, что он чувствовал себя несчастным, когда
общая теория относительности предсказала, что мир ко-
нечной плотности должен иметь изменяющийся размер.
Причина этой драмы — предубеждение Эйнштейна, счи-
тавшего, что Вселенная должна быть статичной (а ведь
«Эйнштейн» и какое-либо «предвзятое мнение» вроде бы
несовместимы!).
Но в чем же заслуга Фридмана, которому, основываясь
на теории Эйнштейна, удалось получить результаты, во-
обще говоря, вытекающие из ньютоновской теории тяго-
тения? «Величие открытия Фридмана,— пишет академик
Й. Б. Зельдович,— заключается, может быть, не столько
в применении общей теории относительности, сколько
в отказе от предвзятого представления о стационарности
Вселенной» ***. Что касается самого факта получения
важных космологических результатов и из ньютоновской
теории, и из теории Эйнштейна, то здесь мы имеем еще
одно подтверждение преемственности фундаментальных
♦ Цит. по кн.: А. А. Фридман, Избранные труды.
♦♦ А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. 2. М., «Наука», ,
1966, с. 349.
Там же,
142
I
физических теорий. ОТО — есть обобщение теории Нью-
тона, а теория Ньютона — предельный случай ОТО для
слабых полей тяготения.
фридмановская космология прошла проверку вре-
менем и стала фундаментом современной релятивистской
космологии. Каковы же в самых общих чертах ее основные
особенности?
Во-первых, вытекая из ОТО, фридмановская космо-
логия исходит из справедливости ОТО, а в основе по-
следней, как уже подчеркивалось, лежит СТО и принцип
равенства гравитационной и инертной масс. Об эксперимен-
тальном обосновании того и другого уже говорилось выше.
Во-вторых, Вселенная предполагается однородной и
изотропной (как и в рассмотренном варианте ньютонов-
ской космологии). На первый взгляд, это вообще не соот-
ветствует действительности, так как астрономия как будто
бы утверждает обратное. Например, не может быть и речи
об однородности в распределении вещества в солнечной
системе, где в самом Солнце сосредоточена большая доля
массы, приходящейся на всю солнечную систему. Средняя
плотность Солнца 1,4 г/см3, а если массу Солнца отнести
к объему с радиусом орбиты Плутона, то получится р —
— 5 • 10'9 г/см3, но и эта плотность на 22 порядка превы-
шает среднюю плотность вещества галактик (~10~зх г/см3).
Трудно усмотреть однородность и в распределении
вещества в объеме пространства, включающего Солнце
и ближайшие к нему звезды. Неоднородны по своей
структуре наша и другие галактики. Правда, здесь уже
намечается некоторое сглаживание картины: в централь-
ных областях галактик сосредоточена, конечно, огромная
масса вещества, но она уже не составляет большую часть
массы всего вещества галактик. Значит, в масштабах галак*
тики начинает проявляться, пока еще довольно слабо, не-
которая равномерность в распределении вещества. Более
ощутимой она становится в масштабах скоплений галак-
тик. И, наконец, в масштабах Метагалактики свойства
окружающего нас мира можно с известной натяжкой
охарактеризовать словом «однородность» (что отражает
одинаковую в среднем плотность вещества) и «изотроп-
ность» (что означает одинаковые в среднем свойства во
всех направлениях).
Значит, космологическая модель, опирающаяся на
Довольно абстрактное представление о Вселенной, имеет
М3
известные основания, законность которых, однако, нуж-
дается в дальнейшем очень тонком экспериментальном
подтверждении. Надев космологические очки, мы пере-
стаем видеть привычный астрономам мир звезд и галактик.
Вместо этого мира перед нами возникает образ сплош-
ной метагалактической среды с незначительными вкрап-
лениями в виде галактик и их систем. Правда, можно уте-
шить себя тем, что когда-то Метагалактика и в самом деле
была сплошной средой, состоящей из водорода, гелия и
электромагнитного излучения. Но главное утешение,
конечно, не в этом, а в том, что не только во времена Фрид-
мана, но и на современном этапе развития космологии
невозможно учесть реальную структуру Метагалактики.
А с тем, что космология, как говорят, рисует величест-
венную картину Вселенной весьма разбавленными крас-
ками, придется смириться.
В-третьих, фридмановская космология не выделяет
во Вселенной каких-либо особых галактик: ни наша Га-
лактика, ни другие галактики не могут считаться из-
бранными, все они равноценны. Скорость расширения
должна быть одинаковой относительно любой из них.
Пожалуй, против этого допущения трудней всего возра-
зить. Было бы очень странно, если, отвергнув мысль о цен-
тральном положении Земли и Солнца во Вселенной, мы
встали бы на точку зрения, согласно которой в центре Все-
ленной находится какая-нибудь галактика. Наверное
поэтому мы сравнительно легко соглашаемся с тем, что
беспредельная Вселенная не имеет никакого центра.
Фридман использовал в качестве исходных уравнения
тяготения Эйнштейна, содержащие лямбда-член. Назна-
чение лямбда-члена, как уже говорилось, должно было
сводиться к компенсации сил притяжения, т. е. в теорию
вводилось нечто подобное силам отталкивания. Эйнштейн
ввел лямбда-член, чтобы обеспечить равновесие притя-
жения и отталкивания, а значит, и стационарность Все-
ленной. Сделанные Фридманом допущения позволяют
привести уравнения к виду, сходному с тем, с которым мы
встречались при рассмотрении ньютоновской теории, но
здесь вместо Е нередко рассматривают величину fc, ха-
рактеризующую кривизну трехмерного пространства
в любой момент времени. Фридман нашел нестационарные
решения, соответствующие различным моделям Вселен-
ной:
144
1) к == 0; расширяющееся евклидово пространство}
2) к > 0; пульсирующая модель, пространство неев-
клидово (сферический мир, геометрический образ —
циклоида);
3) к < 0; монотонно расширяющееся неевклидово
пространство (гиперболический мир).
Как и ньютоновская теория, теория Фридмана дает
формулы для критической плотности и для Я. И те и
другие одинаковы:
ЗЯ2 2 1
Ркр “ 8лС ’ Н - 3 * t i
но в фридмановской космологии они получаются более
естественным путем, не требующим рассмотрения конеч-
ного шарового объема.
КОСМОЛОГИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ
Как известно, критерием теории является практика;
плодотворная теория способна не только согласоваться
с практикой, но и содержать в себе некоторые выводы и
предсказания, без нее далеко не очевидные. В замеча-
тельном произведении В. И. Ленина «Материализм и
эмпириокритицизм» подчеркивается, что «в практику,
служащую нам критерием в теории познания, надо вклю-
чить также практику астрономических наблюдений» *. Есть
ли возможность сопоставить с наблюдениями выводы кос-
мологии? Могут ли наблюдения помочь выбрать из раз-
личных моделей ту единственную, которая соответствует
единственному экземпляру Вселенной?
Прямой метод сравнения теории с наблюдениями свя-
зан с определением средней плотности различных форм
материи, наблюдаемых в Метагалактике. Если бы уда-
лось точно определить эту величину р0, учтя всевозмож-
ные запасы вещества и излучения, то «осталось» бы только
сравнить р0 и ркр. Последнюю величину, как известно,
дает теория, причем она связывает ее со значением Яо-
Считается, что 0,5«10”29 < ркр < 2-Ю"29 г/см3, а р0 (по
оценке Оорта) есть р0 ~ (3 н-5)-10'31 г/см3, т. е. р0 <С
<С Ркр. Однако делать, основываясь на этом, уверенный
вывод, что мы живем в открытом мире, пока еще, пожа-
* В. И. Ленин. Поли, собр. соч., т. 18, с. 143,
145
г
муй, преждевременно, так как приведенное значение
следует рассматривать как нижнюю границу плотности
Метагалактики.
Должны существовать, по мнению ученых, невидимые
резервуары вещества с неизвестными нам запасами. Так,
есть основания подозревать, что кроме невидимых звезд
в галактиках существует скрытая масса вещества в скоп-
лениях галактик. Каковы основания для последнего
подозрения? Масса скопления галактик (М) определяется
по формуле М = где v — средняя скорость членов
скопления, a R — радиус скопления. Это следует из
условия гравитационной устойчивости скопления, а оно
требует, чтобы потенциальная энергия равнялась удво-
енной кинетической энергии членов скопления (т. е.
22?кин + ^пот = 0)- Так вот, фактическая масса галак-
тик (Мф), измеренная методами практической звездной
астрономии, значительно меньше той, которую дает
теория (М). Чтобы объяснить, почему Мф < М9 при-
шлось придумать гипотезу о скрытой массе, под которой
подразумеваются завершившие свой жизненный путь
невидимые (мертвые) галактики. Разумеется, никто ни-
когда мертвых галактик не видел, хотя нет ничего не-
правдоподобного в гипотезе об их существовании.
Есть и еще один резерв скрытой массы — невидимые
короны галактик.
В начале 1974 г. астрономы Тартуской обсерватории,
изучая особенности движения спутников галактик, при-
шли к выводу (вскоре подтвержденному и американскими
астрономами) о том, что галактики — это не только светя-
щееся вещество. Значительные массы вещества прощу-
пываются далеко за пределами общепринятых границ
галактик. Эстонские астрономы (Я. Эйнасто и др.) пред-
ложили назвать новую составляющую галактик короной.
У разных галактик разные короны. Наша Галактика
обладает короной, масса которой порядка 1012 масс Солн-
ца, а короны гигантских эллиптических галактик могут
оказаться в 10—30 раз больше. В этой проблеме пока
еще много неясного. Например, требуются новые доказа-
тельства реальности корон, предстоит выяснить, из чего
состоят короны (из газа или карликовых звезд) и т. д.
Но если существование корон подтвердится, то, по мне-
нию Я. Эйнасто, массы галактик и систем галактик вместе
с коронами окажутся в 10 раз большими, чем считалось
146
до сих пор. Это, конечно, отразится на величине средней
плотности вещества.
До сих пор еще нет однозначных данных об открытии
межгалактического газа. Казалось бы, он должен суще-
ствовать и вне связи с дефицитом массы в скоплениях
галактик: просто трудно представить, что все вещество
компактно упрятано в галактики, между которыми нет
диффУзн0® среды, столь обычной для солнечной системы и
межзвездного пространства. А ведь согласно некоторым про-
гнозам, средняя плотность межгалактического газа может
быть болыпе, чем средняя плотность вещества галактик.
Однако ни поиски на волне 21 см, ни наблюдения в ультра-
фиолетовой и рентгеновской области спектра, ни ряд
других экспериментов, в разработке теории и практиче-
ском осуществлении которых важную роль сыграли со-
ветские ученые Р. А. Сюняев и В. Г. Курт, пока не по-
зволили обнаружить межгалактический газ. Поэтому
остается лишь надеяться, что в будущем межгалактиче-
ский газ удастся открыть. С учетом массы невидимых
галактик и межгалактического газа величина средней
плотности материи в Метагалактике может оказаться
существенно больше, той, которую дают современные
оценки.
Так обстоит дело со средней плотностью. Но известны
и другие возможности, в принципе позволяющие получить
из наблюдений ценную для космологии информацию.
Одна из них связана с определением безразмерного пара-
метра замедления д0, характеризующего особенности
расширения Метагалактики. Различным значениям qQ
соответствуют открытые или закрытые фридмановские
модели. Легче всего было бы по существующим формулам
определить д0, зная р и Я, но интересно определить q9
независимыми способами, например, исследуя зависи-
мость красного смещения от расстояния или от звездной
величины ярких галактик с одинаковыми светимостями.
Предпринимались также попытки изучить зависимость
красного смещения от угловых размеров галактик и про-
верить теоретический вывод о том, что в расширяющейся
Метагалактике должен существовать минимальный пре-
дельный угловой диаметр галактики. Этот угол близок
к 7* для галактик, сходных с нашей. Построение экспе-
риментальной кривой для галактик и квазаров затруд-
нено недостаточностью и ненадежностью статистического
147
материала, а поэтому не приходится особенно доверять
значению д0, полученному из наблюдений. В результате
пока и с помощью параметра замедления не удается сде-
лать уверенный выбор из различных фридмановских
моделей.
Другая возможность использовать наблюдения для
целей космологии вытекает из статистики радиоисточ-
ников.
В свое время В. Гершель, подсчитывая звезды, до-
ступные его телескопу в разных участках неба, сделал
первые и очень важные шаги по пути открытия нашей
Галактики и исследования ее структуры. Возникает во-
прос, нельзя ли, модифицируя гершелевский метод чер-
паков, получить космологическую информацию, облег-
чающую выбор из различных моделей той, которая ближе
всего к действительности? А если можно, то что и как
следует подсчитывать?
Полезными для космологии и особенно для космогонии
галактик могут оказаться подсчеты не оптических объек-
тов, а радиоисточников (радиогалактик, квазаров), мно-
гие из которых находятся от нас дальше, чем объекты,
доступные оптическим телескопам. В ходе таких подсче-
тов выявляют число источников -АГ, плотность потока
излучения которых больше F. В плоском евклидовом
пространстве с равномерным распределением источников
N ос г8, F ос г"*9 а значит N ос Легко представить
вид графика N (F)t если по осям координат отложить
lg 2V и lg F, то получится прямая с наклоном —1,5.
На самом же деле график, построенный по данным на-
блюдений, иной! экспериментальные точки, соответству-
ющие большим потокам, располагаются вдоль кривой
(наклон ~ —1,8), а в области слабых источников кривая
выпрямляется, и уменьшается ее наклон. Не так-то
просто объяснить получающиеся расхождения теории
и эксперимента неевклидовостью пространства. В част-
ности, приходится учитывать уменьшающее видимый блеск
радиоисточников красное смещение, связанное с эволю-
цией Метагалактики. Физический смысл этой связи
ясен: чем больше красное смещение, тем не только дальше
от нас источник и слабее, но и тем он старше. Например,
квазар, у которого z = 3, мы видим таким, каким он был,
когда возраст Метагалактики составлял 10—20% от ее
современного возраста.
148
Естественно допустить, что с течением времени изме-
нялась не только пространственная плотность источни-
ков, но и светимость их в прошлом могла быть больше.
Сама возможность эволюции не вызывает сомнения, но
количественные закономерности эволюции пока еще
неясны. Поэтому статистика радиоисточников, будучи
отягощена недостаточно изученными эволюционными эф-
фектами, в настоящее время, пожалуй, еще не может быть
использована в качестве критерия при выборе той или
иной космологической модели. Таким образом, космология
крайне заинтересована в дальнейшем прогрессе астро-
физики и внегалактической астрономии.
Приятно подчеркнуть, что современный этап развития
космологии неотделим от исследований, ведущихся в на-
шей стране. Замечательные труды А. А. Фридмана полу-
чили дальнейшее развитие в работах советского космо-
лога А. Л. Зельманова и особенно в трудах Я. Б. Зельдо-
вича и его учеников (И. Д. Новиков, Р. А. Сюняев, А. Г»
Дорошкевич, В. Ф. Шварцман, О. X. Гусейнов и др.),
работы которых очень быстро получили огромное научное
признание. Книга Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова
«Релятивистская астрофизика» явилась великолепным
обобщением множества работ ученых разных стран и
большого числа оригинальных исследований авторов.
Пришедшие на смену этой книге две другие — «Теория
тяготения и эволюция звезд» и «Строение и эволюция Все-
ленной» представляют собой подлинную энциклопедию
релятивистской астрофизики и являются не только источ-
ником новых сведений, но и стимулятором новых идей.
Важнейшая особенность, отличающая космологиче-
ские работы Я. Б. Зельдовича и его учеников, заключа-
ется в их астрофизичности, т. е. в связи с достижениями
астрофизики и в стремлении отыскать во Вселенной явле-
ния, подтверждающие правильность выдвинутых теоре-
тических представлений.
Итак, мы остановились на том, что космология дает
теоретическое обоснование факту расширения мира,
а котором мы живем, и позволяет сделать и сопоставить
с наблюдениями заключения о возможных моделях Мета-
галактики. Кроме того, из теории однозначно следует, что
в прошлом средняя плотность была много больше, чем
с^йчас, причем, зная Я, можно вычислить, когда началось
Расширение (или когда был момент с бесконечно большой
149
плотностью), т. е. определить (по корректному выражению
Я. Б. Зельдовича) длительность современного этапа суще-
ствования Вселенной. О том, что представляла собой
Метагалактика почти 20 млрд, лет назад, пытается отве-
тить теория «горячей» Вселенной. Познакомившись с этой
теорией, мы продолжим разговор о связи космологии
с наблюдениями.
«ГОРЯЧАЯ» ВСЕЛЕННАЯ
Проблемой, значение которой выходит далеко за рамки
астрофизики и физики, является проблема происхожде-
ния химических элементов. Лет тридцать назад некоторым
ученым казалось, что проблема эта будет решена, если
удастся проанализировать процессы, происходившие на
самых ранних стадиях (а точнее, «мгновениях») расшире-
ния Метагалактики. В 1946—1947 гг. Г. А. Гамов пред-
положил, что в ту раннюю эпоху условия были подхо-
дящими для термоядерных реакций, т. е. что Вселенная
была не только сверхплотной, но и сверхгорячей. Теория
«горячей» Вселенной не смогла объяснить происхождение
элементов тяжелее гелия, но она (особенно после откры-
тия в 1965 г. реликтового излучения) привлекла внима-
ние многих крупных астрофизиков, увидевших в ней
плодотворную область приложения своих сил.
Начало современного этапа существования Вселенной,
естественно, волнует и философов. Это «горячая точка»
в спорах между материалистами, с одной стороны,
и представителями идеалистических и откровенно богослов-
ских течений — с другой. Здесь и в самом деле есть пред-
мет для философского спора, так как проблема, имеющая
исключительное мировоззренческое значение, может и
должна в известной степени выходить за пределы компе-
тенции естествознания. В отличие от креацинистских
взглядов, согласно которым современная космология
трактуется как научная основа библейской легенды о со--
творении мира, материалистически мыслящие исследо-
ватели пытаются найти естественные физические процессы,
которые могли бы прояснить природу расширения Мета-
галактики. Характер расширения, свидетельствующий
о том, что все галактики начали одновременно удаляться
друг от друга, позволяет предположить, что разбегание
галактик порождено взрывоподобным процессом.
150
Мы уже знаем, что данные астрофизики и внегалак-
тической астрономии говорят о великой распространен-
ности нестационарных и взрывных процессов, наблюда-
емых на Солнце, при вспышках и взрывах звезд, а также
в ядрах галактик. Поясняя отличие таких обычных взры-
вов во Вселенной от космологического взрыва, Я. Б.
Зельдович обращает внимание на то, что разлет галактик
должен быть связан с определенными начальными усло-
виями движения, а не просто с разностью давлений, по-
рождающей разлет вещества при обычных взрывах.
В процессе обычного взрыва, происходящего, скажем,
в звхмных условиях, можно сравнивать давление продук-
тов взрыва с давлением окружающего их воздуха. Но
при расширении Метагалактики нет градиента давления
(и связанной с ним силы). Вместе с тем, анализируя пер-
воначальные стадии расширения Метагалактики, нельзя
пренебрегать давлением излучения и давлением нейтри-
но, поэтому в дальнейшем мы будем вынуждены еще раз
вернуться к этому вопросу.
Каковы же основные положения теории «горячей»
Вселенной?
Согласно этой теории, вначале наша Вселенная (или,
если хотите, Метагалактика, ибо только в таком смысле
мы употребляем термин «наша Вселенная») была совсем
не такой, какой мы ее застали: в ней не было ни галактик,
ни звезд, материя находилась в сверхплотном и сверх-
горячем состоянии. По образному выражению Я. Б. Зель-
довича, в самый ранний период Вселенная напоминала
«лабораторию высоких энергий и высоких температур».
Прежде чем рассказывать о том, что делалось в этой
необыкновенной лаборатории, уместно спросить, могут ли
вообще люди заглянуть в огненную купель своей Все-
ленной? На основании чего можно, спустя 20 млрд, лет,
восстановить (причем, как оказывается, с большими
подробностями!) картину происходивших тогда про-
цессов? И еще: необходимо предположить, что вещество
До начала расширения имело сверхвысокую плотность,
что следует из формального решения фридмановских
Уравнений. А что известно современной физике о свойст-
вах вещества при сверхвысоких плотностях? Размышляя
НаД подобными вопросами, современный астрофизик, ве-
роятно, улыбнется, вспомнив философский прогноз
О- Конта, который за несколько лет до открытия спек-
151
трального анализа пророчествовал о том, что люди ни-
когда не узнают химического состава небесных тел. Раз-
витие науки и техники позволило не только определить
химический состав Солнца и звезд, но и эксперименталь-
ным путем получить данные об атмосфере Марса и Ве-
неры, а также исследовать в обычных лабораторных усло-
виях образцы пород лунного грунта.
Законы земной физики и данные астрономических
наблюдений стали основой теории внутреннего строения
и эволюции небесных тел. Эти успехи вдохновляют уче-
ных на решение более сложных задач, к числу которых,
бесспорно, принадлежат многочисленные вопросы, свя-
занные с теорией «горячей» Вселенной. Их решение
начинается не с придумывания особой физики хотя бы
потому, что существующие ныне термодинамика, кванто-
вая физика, ядерная физика и общая теория относитель-
ности позволяют далеко продвинуться в анализе многих
процессов и состояний, характерных для «горячей» Все-
ленной. Многих, но все-таки не всех. Сегодня едва ли кто-
нибудь может уверенно заявить, что в ходе развития реля-
тивистской астрофизики никогда не понадобятся более
всеобъемлющие физические теории, чем те, которыми сей-
час располагает наука. В качестве примера можно напом-
нить, что в настоящее время почти ничего не известно
о веществе, плотность которого превышает 1014—10х6 г/см3,
по история развития физики дает основания надеять-
ся, что самые общие законы физики скорее всего при-
менимы и к этим условиям. Однако плотность, всего
хотя бы на два порядка превышающую ядерную, еще
нельзя назвать бесконечно большой. Но вот комбинация
мировых констант (Л — постоянная Планка, деленная
на 2л; с — скорость света и G — постоянная тяготения)
приводит к гораздо более внушительной плотности
= 5.10»з г/см8.
Что представляет собой вещество в таких условиях, при
которых уже необходимо учитывать загадочные кванто-
вые эффекты в загадочной гравитации? Об этом очень
трудно сказать что-либо определенное.
Теория «горячей» Вселенной исходит из того, что
при сверхвысоких температурах, которые существовали
в прошлом наряду с огромной плотностью вещества, дол-
жно было очень интенсивно протекать взаимопревращение
152
частиц. Большой набор фотонов, нейтрино, электронов и
позитронов, нуклонов и антинуклонов мог существовать
уже через 10“в с после начала расширения Метагалактики.
В этот момент температура была выше 1013 К, а затем
стремительно падала (через 0,01 с она стала 10й К).
В условиях уменьшающейся температуры и плотности
частицы и античастицы аннигилировали, через несколько
десятых долей секунды нейтрино оторвались от протонов
и нейтронов; для них среда стала уже прозрачной, и они
просто не успевали поглотиться веществом и вступить
с ним во взаимодействие. Большинство из существовавших
тогда нейтрино, наверное, здравствуют и сейчас, правда,
у них было вполне достаточно времени, чтобы поостыть
примерно до 2К и соответственно уменьшить свою энер-
гию с 3*106 до 10~б эВ.
После аннигиляции число тяжелых частиц уменьшилось.
Сохранились лишь те из них, которым посчастливилось
остаться без пары, т. е. без античастицы. Не раскрывая
большого секрета, можно сказать, что впоследствии из
этих счастливцев получились галактики, звезды, планеты
и их обитатели. А вот у фотонов дело обстояло иначе:
их число увеличивалось в ходе аннигиляции частиц. И по
сей день на один атом во Вселенной приходится примерно
миллиард первичных квантов радиочастот.
Исключительно важной для всей дальнейшей исто-
рии Метагалактики была та сотня секунд, которые по-
следовали за первыми мгновениями расширения. Как
показывают расчеты, в то время были очень подходящие
условия для бурных ядерных реакций. В ходе их ней-
троны и протоны образовали ядра дейтерия, которые
объединились в ядра легкого изотопа гелия (Не3), а по-
следние — в ядра обычного гелия (Не4).
Атомы гелия и водорода образовались значительно
позднее. Сразу присоединить к себе электроны им мешала
высокая температура и чрезвычайно большие скорости
(энергии) частиц. Но примерно через миллион лет ситуа-
ция изменилась: когда уже не стало чудовищной темпе-
ратуры (она понизилась до 3000—4000 К) и чрезвычайно
уменьшилась средняя плотность вещества (порядка
10"21 г/см3), начались процессы рекомбинации, которые
завершились образованием нейтральных атомов гелия и
водорода. А вот более тяжелые элементы в «горячей»
Вселенной родиться не успели: они возникли спустя мил-
153
лиарды лет, когда появились звезды, при взрывах которых
в пространство стали выбрасываться химические элементы,
столь привычные и необходимые нам сегодня.
Но вернемся к временам более отдаленным. Через
сотни тысяч лет после начала расширения произошло
еще одно важное событие: от вещества оторвалось излу-
чение, так как в результате рекомбинации среда стала
уже достаточно прозрачной для квантов.
Чтобы представить себе дальнейшую судьбу излуче-
ния, рассмотрим, чем вообще отличается поведение ве-
щества и излучения в расширяющейся Метагалактике.
Если плотность вещества рвещ, то плотность его энергии
покоя будет рвещ с2. С течением времени величина рвещ с2
будет уменьшаться; при постоянной массе вещества
закон изменения плотности энергии будет таким же, как
и закон изменения плотности в расширяющемся объеме,
т. е.
Рвещс2 00 Vя3 (О-
Температуру вещества можно получить из рассмотре-
ния адиабатического процесса для идеального газа
ГвепУ7-1 == const ,
где V — объем; V ос R3 (t) и у = 5/3. Отсюда следует, что
Гвещ обратно пропорциональна R2 (0, т. е. Гвещ ос HR2 (t).
Число фотонов по мере расширения Метагалактики
будет изменяться по такому же закону, каки плотность
вещества, т. е. 1/Я3 (t), но энергия квантов света не оста-
ется постоянной. Двигаясь относительно вещества со
скоростью света, они из-за красного смещения теряют
энергию, которая уменьшается в 1/R (t) раз. Поэтому
закон изменения плотности энергии излучения (ризл с2)
будет
РИзлс2 °C 1/Я4 (0.
Значит, в расширяющейся Метагалактике излучение
теряет свою энергию быстрее, чем вещество, причем сразу
же после начала расширения, когда R (t) было мало,
плотность энергии излучения превосходила плотность
энергии покоя вещества.
Закон изменения температуры излучения в рас-
ширяющейся Метагалактике ТИзл ос 1/R (t) может быть
154
получен из формулы адиабатического процесса
ТИЗЛГ "1 ~ COnSt’
где отношение теплоемкостей у = 4/3.
Сравнивая формулы ос 1/2?2 (0 и ГИЗл ос 1/R (£),
видим, что температура излучения уменьшается со вре-
менем медленнее, чем температура вещества. Но времени
прошло много и потому, если считать, что в эпоху отрыва
излучения от вещества Т = 3000—4000 К, то сейчас
Вселенная должна быть заполнена излучением, темпера-
тура которого 3—4 К.
Основные эры «горячей» Вселенной отображены в таб-
лице (с. 156—157).
В самой теории «горячей» Вселенной содержатся воз-
можности для экспериментальной проверки. Перечислим
их. Во-первых, должно существовать реликтовое нейтрин-
ное излучение. Во-вторых, во Вселенной должно сущест-
вовать определенное соотношение гелия и водорода
(примерно 30% гелия и 70% водорода — по массе).
В-третьих, должно существовать реликтовое электро-
магнитное излучение с температурой 3—4 К.
Что же говорят по этому поводу наблюдения?
Нейтринная астрономия пока еще находится в колы-
бели. Ее успехи практически исчерпываются регистра-
цией (почти на пределе чувствительности приборов)
нейтрино солнечного происхождения. Не исключено, что
в недалеком будущем возникнет звездная нейтринная
астрономия, задачей которой будет улавливание нейтрино
от взрывающихся звезд. А вот когда нейтринные теле-
скопы сумеют регистрировать «холодные» нейтрино кос-
мологического происхождения — пока неизвестно.
Теперь о гелии. Он, как и следует из теории, действи-
тельно довольно распространен во Вселенной. Самый рас-
пространенный элемент во Вселенной — водород, на вто-
ром месте гелий. Считается, что, например, в Галактике
почти 92% атомов — атомы водорода и примерно 8% —
атомы гелия. Приведем ряд более конкретных данных.
В атмосфере Солнца на каждые пять атомов водорода
приходится один атом гелия, т. е. Н : Не = 5 : 1, а мас-
совое соотношение 56 : 44. У многих других звезд на-
блюдается сходная картина. Среднее отношение атомов
водорода и гелия в планетарных туманностях составляет
Н : Не = 6 ? 1 или по массе 71 : 29, т. е. гелия там тоже
155
Эры «горячей Вселенной»
Эра Преимущественный состав Время
Андронная Лептонная Излучения Вещества Андроны (мезоны и барио- ны), фотоны, лептоны Мюоны, нейтрино и анти- нейтрино, позитроны и элек- троны Фотоны и нейтрино Наблюдаемое вещество и ре- ликтовое излучение 10-44 < t < 1(Н С 10-’ < t < 10 с 10 с < t < 10” лет 10» < t < (15-18)-10’лет
* Л. М. Озерной, О. Ф. Прилуцкий, И. Л. Розенталь. Астрофизика высоких
немало. Вместе с тем, известны звезды, в атмосферах ко-
торых меньше 1% гелия. Существуют лишь догадки по
поводу такого недостатка гелия.
Кроме Не4 в природе встречается легкий изотоп
гелия Не3. Небольшое его количество предусматривается
теорией «горячей» Вселенной. На Земле мало Не4 и во
много раз меньше Не3 (Не3 : Не4 = 1 : 10е). В фотосфере
Солнца (Не3 : Не4) < 0,02, а в космических лучах (Не3 :
: Не4) > 0,2. Феноменально отношение Не3 и Не4 в ат-
мосферах некоторых звезд. Например, в звезде 3 Центавр А
легкого изотопа в пять раз больше, чем обычного гелия.
Гелий и его изотопы должны быть и в межзвездной и меж-
галактической среде. От внеатмосферных наблюдений
в диапазонах коротких волн, которые полностью или почти
полностью поглощаются земной атмосферой, ученые на-
деются получить надежные количественные результаты.
Конечно, может быть, не весь существующий сейчас гелий
возник на ранних стадиях расширения Метагалактики:
некоторое количество гелия могло появиться (подобно
другим тяжелым элементам) в результате переработки
водорода в звездных термоядерных реакциях. В общем
же можно сказать, что доступные наблюдениям запасы
гелия, во всяком случае, не опровергают теорию «горя-
чей» Вселенной.
В отличие от неуловимого нейтринного реликтового
излучения, электромагнитное реликтовое излучение было
обнаружено 10 лет назад. История его открытия содержит
156
Плотность, г/см3 _ Температура, К Энергия на частицу
10м > р > 10» 10» > р > 10‘ 1(Н>р>10-«1 10-я > р > 10-W Ю8» > Т > 1012 10» > Г > 10» 1010>7’>3-103 Т<3-10» 10” ГэВ>£>102 МэВ Ю2> Я>1 МэВ 1 МэВ>£>1 эВ 1 > Е > 10-» эВ
энергий. М., «Атомиздат», 1973.
немало моментов, к обсуждению которых, вероятно, еще
часто будут обращаться специалисты в области науко-
ведения. Дело в том, что возможность существования
реликтового электромагнитного излучения вытекала из
теории Г. А. Гамова, созданной еще в 1948 г. И хотя тогда
предполагалось, что в современной Вселенной темпера-
тура этого излучения 25 К, а не около 3 К, как считается
сейчас, обнаружить даже такое «горячее» излучение
практически было невозможно, так как максимум его
должен был приходиться на ту часть инфракрасного диа-
пазона, которая сильно поглощается земной атмосферой.
Четверть века назад еще нельзя было всерьез говорить
не только об инфракрасной и субмиллиметровой астро-
номии, но и о радиоастрономии, делавшей тогда свои
первые шаги. В конце 50-х и начале 60-х годов радио-
астрономические средства уже достигли известного совер-
шенства, но в это время был потерян интерес к теории
«горячей» Вселенной, которой, как мы знаем, так и не
удалось решить проблему происхождения тяжелых эле-
ментов.
Однако в 1964 г. группа американских ученых во
главе с Р. Дикке стала готовиться к поискам в санти-
метровом диапазоне реликтового излучения, но, если
можно так выразиться, не того, а совсем другого, пред-
сказанного Дикке из его теории, независимо от теории
Гамова. Примерно в это же время, т. е. в 1964 г., очень
молодые тогда советские астрофизики И. Д. Новиков и
157
А. Г. Дорошкевич, работавшие в лаборатории теорети-
ческой астрофизики АН СССР под руководством акаде-
мика Я. Б. Зельдовича, рассчитали весь спектр излучения
Метагалактики. Для этого им пришлось учесть излуче-
ние, создаваемое всеми звездами (максимум вблизи волны
10“б см), излучение нагреваемой звездами пыли (макси-
мум 3«10“2 см), нетепловое излучение нашей и других
галактик (максимум около 3 см). Было учтено и тепловое
излучение других, близких и далеких галактик. Получив
спектр плотности излучения в межгалактическом про-
странстве, ученые нашли в этом спектре место и для ре-
ликтового излучения, указав, что его нужно искать
(если, конечно, Вселенная не была вначале «холодной»)
в области сантиметровых и миллиметровых длин волн.
Это вполне можно считать третьим предсказанием
реликтового излучения. Но несмотря на троекратное
предсказание, реликтовое радиоизлучение обнаружили
случайно. В распоряжении сотрудников лаборатории
телефонной компании «Белл» была чувствительная ру-
порная антенна, установленная недалеко от Принстона
и предназначенная для приема на волне 7,35 см радио-
локационных сигналов от искусственного спутника Земли
«Эхо». Наблюдатели приняли какое-то излучение, ко-
торое, как они вначале подумали, было просто шумом
в приемной аппаратуре. Этим шумом и оказалось релик-
товое излучение с эффективной температурой 3,5 К.
Позднее неоднократно выполнялись более точные изме-
рения, приводившие к значению 2,7 К.
В истории открытия трехградусного первичного излу-
чения есть еще один примечательный штрих, который
с известной степенью натяжки можно было бы считать
предвосхищением открытия реликтового излучения. Дело
в том, что еще в начале 40-х годов при исследовании опти-
ческих спектров поглощения молекул (например, CN),
которые уже тогда были найдены в межзвездной среде,
удалось оценить температуру излучения, вызвавшего
возбуждение молекул. Возбужденных молекул оказалось
слишком много, чтобы можно было объяснить их состоя-
ние процессами столкновения с какими-нибудь частицами
в очень разреженной межзвездной среде. Так вот, излу-
чение, которое явилось причиной возбуждения молекул
CN, имело температуру, равную 2,3 К. Но в 40-х годах
этот факт не произвел на ученых особого впечатления.
158
Лиш^ ж 1966 г. И. С. Шкловский и независимо от него
некоторые другие зарубежные ученые указали на то, что
межзвездные молекулы находятся в среде, нагретой ре-
ликтовым излучением. Дальнейшее развитие этой идеи
привело к созданию метода определения температуры
поля излучения по степени возбуждения молекул CN
в спектрах ряда звезд. Всякий раз температура полу-
чалась близкой к 3 К. Не правда ли заманчиво отодви-
нуть зарождение экспериментальной космологии на чет-
верть века назад по сравнению с официальной датой
(1965 г.)?
Но, конечно, актуален совсем другой вопрос: сущест-
вует ли в действительности чернотельное реликтовое
излучение? Этот вопрос после всего сказанного может
показаться странным, но удивляться не нужно: реликто-
вое излучение так необходимо сторонникам «горячей»
Вселенной, что очень легко принять желаемое за действи-
тельное. Данные радиоизмерений, выполненных до длины
волны 0,3 см, уверенно располагаются вдоль кривой
излучения абсолютно черного тела (при Т ~ 2,7 К).
Значит, обнаруженное радиоизлучение чернотельное. А из
чего следует, что оно возникло не в нашей Галактике?
Обычно прежде всего ссылаются на то, что интенсивность
этого излучения практически одинакова во всех направ-
лениях, т. е. мы имеем дело с фоновым и в высшей сте-
пени изотропным излучением. Значит, изотропность излу-
чения приводится в качестве веского довода в пользу
того, что излучение имеет, во всяком случае, метагалак-
тическое происхождение. Наконец, как уже говорилось,
при анализе спектра излучения Метагалактики учитыва-
лись все возможные источники излучения. Ни с одним
из них не удалось связать наблюдаемое трехградусное
излучение. Можно ли считать, что все это доказывает
существование реликтового излучения? Положительный
ответ на достигнутом уровне развития теории и экспе-
римента представляется наиболее разумным.
За десятилетие, истекшее после открытия, которое
сделали сотрудники фирмы «Белл», возникла и получила
развитие астрофизика реликтового излучения. Ее появ-
ление закономерно, потому что реликтовое излучение,
пришедшее к нам из прошлого Вселенной, может довольно
активно участвовать в современной жизни Вселенной.
На чем основывается подобное утверждение? Прежде
159
всего на энергетических соображениях. За миллиарды
лет скитаний реликтовое излучение, конечно, сильно
ослабело. Однако трехградусному планковскому излуче-
нию и сегодня соответствует плотность энергии 1 эВ/см3
(т. е. 10~12 эрг/см3). Но примерно такую же плотность
энергии имеют космические лучи и межзвездное поле
в нашей Галактике.
В Метагалактике плотность энергии космических лучей
и межзвездных полей должна быть значительно ниже, а
плотность реликтового излучения всюду одинакова. Кон-
центрация реликтовых фотонов 10~3 см“3, значит на каж-
дый из этих фотонов в среднем приходится энергия
10-3 эВ.
Очень важно выяснить, как взаимодействуют эти фо-
тоны с высокоэнергичными обитателями галактического
и метагалактического пространства — релятивистскими
электронами, космическими лучами, у-квантами. Ока-
зывается, что реликтовые фотоны после взаимодействия
с электронами, обладающими энергией 109 эВ, должны
увеличить свою энергию в миллион раз, а стало быть,
они могут еще более активно влиять на физические про-
цессы во Вселенной. Остается лишь еще раз пожелать,
чтобы скорее удалось найти новые независимые доказа-
тельства существования реликтовых фотонов.
ОТ КОСМОЛОГИИ К КОСМОГОНИИ ГАЛАКТИК
Итак, в больших масштабах Метагалактику можно счи-
тать однородной и изотропной и на этой основе построить
теорию, не противоречащую наблюдениям. Однако не
мешает все-таки вспомнить, что в мире, к счастью, есть
неоднородности в виде систем галактик и звезд. Как они
могли возникнуть в однородной и изотропной, да еще рас-
ширяющейся среде? Подобный вопрос относится, строго
говоря, к компетенции космогонии галактик и звезд, а
в последней общая теория относительности играет далеко
не главную роль. Но вместе с тем космогония галактик
является еще одним косвенным способом проверки пра-
вильности космологических построений, основанных на
ОТО. Согласитесь, что космологическая теория не многого
стоила бы, если бы она закрывала путь к решению во-
проса о происхождении мира галактик и звезд, в котором
мы живем.
160
Реальный мир, наша астрономическая Вселенная су-
ществует в одном экземпляре. Другие вселенные нам не-
известны, хотя, как мы увидим дальше, вообще говоря,
можно предположить, что есть и они. Ситуация здесь
принципиально отличается от сложившейся в планетной
космогонии, где есть вполне основательная надежда
когда-нибудь открыть и исследовать закономерности пла-
нетных систем хотя бы у не очень далеких звезд. Поэтому,
как бы ни были привлекательны различные модели Все-
ленной, из них приходится выбирать ту, которая лучше
всего описывает свойства нашей Вселенной.
В малых масштабах современная Метагалактика, ко-
нечно, неоднородна. Но, может быть, малые отклонения
от однородности были и на ранних стадиях ее существо-
вания? Дать положительный ответ на этот вопрос позво-
лил результат, полученный сравнительно недавно извест-
ным советским физиком членом-корреспондентом АН
СССР Е. М. Лифшицем, который, основываясь на ОТО,
рассмотрел вопрос о судьбе малых возмущений в одно-
родной среде. Оказывается, неоднородности, возникшие
в гравитационно неустойчивой среде, с течением времени
растут. Скорость их роста обусловлена свойствами среды
и, в частности, зависит от соотношения в ней вещества
и излучения. Так, если в некотором объеме среды с плот-
ностью р произошло увеличение плотности на величину
бр, то закон изменения относительного избытка плотности
бр/р в среде, где преобладает вещество, бр/р ос £2/«, а
в эру преобладания радиации бр/р ос t Постепенно воз-
никшее возмущение увеличивается в объеме, расширяется,
однако это происходит медленнее космологического рас-
ширения окружающей среды. Соответственно и метрика
вблизи зародышевых неоднородностей и внутри них
отличается от метрики окружающего пространства. Про-
исхождение неоднородностей само по себе является важ-
ной проблемой, так как различные термодинамические
и квантовые флуктуации оказываются недостаточными
Даже для того, чтобы привести к появлению отдельных
галактик, не говоря уже об их скоплениях.
На симпозиуме по космологии (1973), который про-
исходил в Польше в рамках посвященной юбилею Ко-
перника Генеральной ассамблеи Международного астро-
номического союза, энергично обсуждались две из не-
скольких существующих гипотез образования галактик.
V26 Е. П. Левитан 161
г
Обе гипотезы чрезвычайно активно разрабатывают совет-
ские астрофизики. Одну из них развивает Я. Б. Зельдо-
вич со своими учениками А. Г. Дорошкевичем, Р. А. Сю-
няевым и И. Д. Новиковым, другую — Л. М. Озерной.
Познакомимся с основными идеями этих гипотез.
Обе гипотезы исходят из того, что галактики образо-
вались на ранних стадиях расширения Метагалактики.
На это, в частности, указывает сравнение возраста самых
старых звезд нашей Галактики (10—15*109 лет) с при-
мерно таким же возрастом Метагалактики. Обе гипотезы
предполагают, что на догалактической стадии в среде
существовали значительные неоднородности. Однако их
природу, механизм превращения неоднородностей в га-
лактики и дальнейшую эволюцию галактик авторы кон-
курирующих гипотез представляют по-разному.
В основу гипотезы Я. Б. Зельдовича положена горячая
космологическая фридмановская модель и восходящие
к И. Ньютону и Дж. Джинсу представления о том, что
однородно распределенное в пространстве вещество не-
устойчиво и собирается в сгустки под действием сил тя-
готения. Малые случайные возмущения плотности, су-
ществовавшие на ранних стадиях эволюции Вселенной,
постепенно росли из-за гравитационной неустойчивости.
Теория развития малых возмущений в однородной и изо-
тропной космологической модели рассмотрена, как мы
уже знаем, Е. М. Лифшицем. С некоторого момента не-
однородности начинают развиваться нелинейно и, как
показывают расчеты, в результате сжатия вещества
ударными волнами возникают достаточно плотные дву-
мерные образования — «блины». «Блины» эти довольно
горячие — температура вещества в них могла достигать
миллиона градусов. В разных частях расширяющейся
Метагалактики возникали разные «блины», причем опо-
здавшие «блины» (т. е. те, которые возникли позднее)
имели меньшую массу, плотность и температуру, чем их
старшие соседи. (Поэтому трудно сказать, какие иэ
«блинов» в этой космической кухне получились комом.)
Распад созревших «блинов» — начало рождения галактик,
звезд в них и, возможно, квазаров. Так как «блины»
были разные, то и продукты распада оказались неодина-
ковыми: из одних «блинов» возникали скопления, и8
других небольшие группы галактик, из третьих — оди-
ночные галактики. Предполагая, что на догалактической
102
стадии среда была довольно спокойной, безвихревой,
авторы гипотезы считают, что ударные волны, породив-
шие «блины», должны были создать внутри них турбу-
лентность, вихри, т. е. все то, что могло стать первопри-
чиной вращения будущих галактик.
Развитие «блинной» гипотезы идет полным ходом, а
потому сейчас еще преждевременно излагать ее более
детально. Поэтому мы рассказали лишь о некоторых
идеях этой гипотезы. Надо добавить, что авторы гипо-
тезы, подчеркивая ее статистический характер, пытаются
с единой точки зрения получить оценки масс отдельных
галактик и их скоплений, а также вывести некоторые дру-
гие параметры галактик.
Согласие теории с наблюдениями, конечно, очень
важно, но еще важнее увидеть «блины», которые еще не
успели превратиться в галактики. Температура в ве-
ществе «блина» неодинакова — там должны быть горячие
и холодные области. Предполагается, что радиоизлуче-
ние холодной части «блина» может быть выявлено на
волне 21 см, хотя практические трудности обнаружения
«блинов» очень велики. Не исключено, что, может быть,
посчастливится увидеть какой-нибудь «блин» на фоне
квазара: об этом астрономы узнали бы, заметив в спектре
квазара чужие линии поглощения.
В гипотезе Л. М. Озерного развивается высказанная
в 1951 г. К. Вейцзеккером идея о том, что в догалактиче-
ской стадии в среде существовали гигантские вихревые
движения. В «горячей» Вселенной, по мнению автора ги-
потезы, могли возникнуть и сохраниться лишь гигантские
фотонные вихри, т. е. сложные вихревые движения излу-
чения и плазмы. Масса покоя фотонных вихрей сравнима
с массой скопления галактик. Механизм возникновения
таких вихрей пока неясен. Не исключено, что они, подоб-
но расширению, являются коренным свойством Метага-
лактики, но тогда приходится рассматривать Метагалак-
тику уже на самых ранних стадиях как неоднородную и
неизотропную.
Постулируя существование фотонных вихрей, гипотеза
Л. М. Озерного рисует довольно стройную и подробную
картину происхождения галактик. Зная скорости враще-
ния современных галактик и применяя к вихрям закон
сохранения момента количества движения, автор гипотезы
оценивает скорость вихревого движения и приходит к вы-
6*
163
воду, что в эру избытка радиации эта скорость была много
меньше скорости звука в среде. Но вот температура в сре-
де достигла 3000—4000 К Мы уже знаем, что на этой ста-
дии произошла рекомбинация плазмы. Теперь движущиеся
фотоны уже перестали увлекать за собой нейтральный газ.
Скорость звука в среде стала определяться упругостью
газа. Раньше она была соизмерима со скоростью света,
а теперь оказалась не только много меньше скорости све-
та, но и меньше скорости вихревых движений. Это значит,
что вихревые движения стали сверхзвуковыми. Одна из
особенностей сверхзвуковых движений — образование
ударных волн. Распространяясь в среде, ударные волны
порождают неоднородности в распределении вещества.
Возникшие вращающиеся сгущения рассматриваются
автором гипотезы как будущие галактики или даже скоп-
ления галактик.
Л. М. Озерному удалось вычислить и удовлетворитель-
но согласовать с данными наблюдений такие важные кос-
могонические параметры галактик, как соотношение ра-
диус — масса, удельный момент вращения и другие, а так-
же связать с физическими свойствами догалактических
сгущений появление различных типов галактик (спираль-
ных и эллиптических).
Интересные результаты получили крупные зарубежные
ученые, включившиеся в разработку вихревой гипотезы.
Гак, по мнению голландского астронома Я. Оорта, в рам-
ках вихревой гипотезы, возможно, удастся объяснить вы-
падение межгалактического газа на галактики. Не исклю-
чено, что вихревая гипотеза поможет выяснить причину
магнитных полей в галактиках.
В настоящее время трудно сделать выбор между двумя
гипотезами образования галактик. Да, пожалуй, сейчас
еще и рано делать такой выбор. Но можно сказать, во-
первых, что обе они имеют шанс оказаться перспективнее
других существующих гипотез. Во-вторых, обе они на-
ходятся в стадии разработки и пока сделали лишь свои
самые первые шаги по пути решения исключительно слож-
ной комплексной проблемы, неразрывно связанной с кос-
мологией, внегалактической астрономией, астрофизикой
и физикой. И уж, конечно, к процессу образования галак-
тик причастна вся физика, а не только механика.
ВОЛНЫ ГРАВИТАЦИИ
Ждет подтверждения и еще одно предсказание ОТО. Сог-
ласно теории тяготения Эйнштейна, при ускоренном дви-
жении и деформации массивных тел должны излучаться в
пространство и распространяться в вакууме со скоростью
света гравитационные волны. Волны гравитации —- спе-
цифический эффект, присущий ОТО, а не ньютоновской
теории тяготения. Этот так же, как электромагнитные вол-
ны — эффект электродинамики, а не электростатики.
Из уравнений Максвелла следует, что распространение
поля от точки к точке происходит по волновому закону,
причем волны должны быть строго поперечными и распро-
страняться со скоростью света. Сейчас уже хорошо изве-
стно, что электромагнитные волны, обнаруженные в опы-
тах Герца (1883), и световые волны имеют одну и ту же при-
роду (оптика — часть электродинамики).
Электромагнитные волны давно обнаружены и давно
верно служат людям, а вот гравитационные волны, пред-
сказанные Эйнштейном почти 60 лет назад, пока еще не
открыты. Обнаружение гравитационных волн (которые
тоже должны быть поперечными) имело бы огромное
значение как еще одно важное подтверждение ОТО. Кроме
того, гравитационные волны могли бы дать новую инфор-
мацию, в которой заинтересована космология и, в част-
ности, теория «горячей» Вселенной. Но обнаружить грави-
тационные волны очень трудно, так как гравитационное
взаимодействие частиц очень слабое. Ньютоновская сила
притяжения электрона и протона в 1040 раз меньше
силы их электростатического взаимодействия.
Испускаемые системой гравитационные волны умень
шают энергию системы. Мощность гравитационного из-
лучения W ос (G/c5) 71/2сов, где G/c5 = 3«10“в0, М— масса
колеблющегося тела, о — частота колебания. Значение
G*c~6 (вычисление выполнено в системе единиц СГС)
производит весьма удручающее впечатление: в земных
условиях подбором М и со компенсировать такой коэф-
фициент практически невозможно. В лучшем случае будет
достигнута мощность излучателей 10-18 эрг/с — величина,
неуловимая в эксперименте. Вот почему физикам прихо-
дится (в какой уж раз!) обращать свои взоры к небу, на-
деясь в космической лаборатории найти более подходящие
источники излучения.
1G5
г
К счастью, таких источников немало. Даже в солнеч-
ной системе есть источники гравитационного излучения,
мощность которых должна существенно превосходить
мощность оптимальных земных излучателей. Напри-
мер, мощность гравитационного излучения Юпитера
5«10“10 эрг/с. Это вцгодно отличается от приведенного
выше значения 10-13 эрг/с, но, очевидно, иная картина по-
лучится, если сравнить мощность гравитационного излу-
чения Юпитера со светимостью Солнца (4«1083 эрг/с).
Теперь обратимся к источникам, находящимся в пре-
делах нашей Галактики. Здесь непрерывное излучение
с частотой в несколько герц могут генерировать двойные
звезды, которым положено излучать волны с частотой,
вдвое большей частоты обращения компонентов вокруг
центра масс системы. Мощность излучения таких источни-
ков порядка 1030 эрг/с, но ожидаемый поток излучения на
Земле от близких двойных звезд порядка 10-10 эрг-с-1*
• см-2, что тоже очень мало. Непрерывно излучать грави-
тационные волны должны и пульсары (мощность 1088 эрг/с
и поток 10-7 эрг*с-1'См-2 — пульсар в Крабовидной ту-
манности).
В центре Галактики могут находиться источники им-
пульсного излучения (частоты 104 — 103 Гц). Возможные
кандидаты — скопления нейтронных звезд и столкнове-
ния массивных тел. Есть надежда, что поступающая от
них мощность излучения окажется во много раз больше,
чем от источников непрерывного излучения. Но, к сожа-
лению, сильные всплески гравитационного излучения
очень редки и неизвестно, сколько времени придется ждать
экспериментаторам, прежде чем первый из этих всплесков
будет обнаружен.
Впрочем, заявки на открытие гравитационного излу-
чения уже были. Несколько лет назад весь мир облетела
весть о положительных результатах экспериментов, дли-
тельное время проводившихся американским ученым
Дж. Вебером. Гравитационные антенны Вебера — это па-
ра тщательно изолированных от посторонних внешних
воздействий алюминиевых цилиндров (длиной 1,5 м, диа-
метром 0,7 м, массой 1,5 т), на которых укреплены чув-
ствительные пьезодатчики, передающие электрические
сигналы на схему совпадений. Сигналы возникнут, когда
гравитационная волна, проходя через тело цилиндров,
возбудит в них упругие колебания. Эти колебания пьезо-
166
датчики преобразуют в электрические импульсы. Схема
совпадений срабатывает только тогда, когда гравитацион-
ная волна воздействует на обе антенны, разнесенные на
большое расстояние (Вашингтон — Чикаго: расстояние
примерно 1 тыс. км). Чувствительность веберовского
детектора очень велика: он способен зарегистрировать ко-
лебания цилиндра с амплитудой всего 10~14 см.
Так вот, Вебер очень длительное время наблюдал не-
сколько раз в сутки совпадения, которые трудно было наз-
вать случайными. Но везло почему-то только Веберу: ни
другим американским ученым, ни их коллегам в СССР (ру-
ководитель работ профессор В. Б. Брагинский), Англии,
Италии и ФРГ не удалось обнаружить ни одной пары сов-
падающих сигналов, с которыми можно было бы связать
гравитационные волны. Поэтому трудно сказать, что имен-
но регистрировали детекторы Вебера, работавшие на пре-
деле допустимого. Сам Вебер считает, что им обнаружены
гравитационные волны, рождающиеся при катастрофи-
ческих процессах в центре Галактики.
В такой ситуации надежды возлагаются на резкое по-
вышение чувствительности антенных устройств. Амери-
канские ученые считают, что для этого придется сильно
охладить детекторы до 0,003 К. Советские ученые стре-
мятся повысить чувствительность, создавая антенны из
специальных диэлектрических материалов с малыми внут-
ренними потерями, и в то же время разрабатывают прин-
ципиально новые гравитационные детекторы.
Активность экспериментаторов должна увенчаться ус-
пехом — рождением гравитационной астрономии. В этом
крайне заинтересованы и космологи, потому что слабо-
взаимодействующие гравитационные волны (а они погло-
щаются слабее, чем нейтрино) могли бы помочь ученым
получить из первых рук информацию о состоянии ве-
щества при р ~ pg.
Проблемы «гравитационной астрономии» бесспорно от-
носятся к тому, что иногда называют передним краем нау-
ки, а иногда еще более образно — ее горизонтами.
ГОРИЗОНТЫ космологии
Проблемы, которые ставит и пытается решить релятиви-
стская космология, бесспорно, относятся к труднейшим
и извечным проблемам естествознания. Было бы очень
167
странно, если бы всего через несколько десятилетий после
зарождения космологии (как раздела современной науки)
эти проблемы удалось решить. Но в настоящее время
важно не только то, что уже сделано в космологии, важен
тот круг новых, далеких еще от разрешения вопросов,
с которыми столкнулись космологи. Нетрудно догадать-
ся, что речь идет о вопросах, связанных с самыми ранними
этапами расширения Метагалактики: с началом расшире-
ния и с тем, что могло быть до этого начала.
Выдвинув в качестве плодотворной гипотезы идею об
изначальной строгой однородности и изотропности Мета-
галактики и выяснив простейшие свойства мира, вытекаю-
щие из теории Фридмана, исследователи были вынуждены
усложнить задачу и перейти к рассмотрению более слож-
ных решений уравнений ОТО.
На примере космогонии галактик мы видели, сколь
основательные причины заставили ученых приступить
к анализу неоднородностей, не будь которых, теперь
некому было бы заниматься космологическими, да и во-
обще всякими другими проблемами...
Высокая степень изотропности реликтового радио-
излучения обоснованно рассматривается как довод
з пользу того, что, по крайней мере, со времени рождения
этого излучения космологическое расширение было изо-
тропным.
Но реликтовое излучение, как известно, возник-
ло не сразу, а значит, до его рождения ситуация могла
быть иной. Это приводит к проблеме анизотропии ранних
стадий расширения Метагалактики и к анализу анизо-
тропных решений уравнений ОТО.
Естественно, что первоначально анализируются анизо-
тропные однородные решения. Такой анализ, выполнен-
ный советскими и зарубежными учеными, оказался воз-
можным и в рамках ньютоновской теории и с точки зре-
ния ОТО. В условиях анизотропии ядерные реакции могли
привести к результату, который отличается от получен-
ного для изотропных моделей. В частности, могло сокра-
титься время, отведенное в «горячей» модели на образова-
ние гелия, и тогда гелия могло возникнуть меньше, чем
в изотропном варианте. А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зель-
дович и И. Д. Новиков показали, что анизотропная мо-
дель должна приводить к более высокому значению энер-
гии слабо взаимодействующих частиц Если это так, то
168
в современной Вселенной можно будет обнаружить кос-
мологические нейтрино, энергия которых превышает зна-
чение, полученное на основе фридмановской модели (2 К).
Тогда уже не «холодные», а «горячие» и «анизотропные»
нейтрино рассказывали бы о процессах, протекавших
в раннюю эпоху расширения еще весьма плотной среды.
Представим себе, что анизотропные модели получат
какое-нибудь веское доказательство. Будет ли это озна-
чать, что от фридмановской модели нужно отказаться?
Да и как вообще от нее можно отказаться, если вытекаю-
щие из нее результаты не противоречат наблюдениям, сви-
детельствующим о высокой степени изотропии нашей
Вселенной? Ответом на подобные вопросы в известной
степени служит предположение, согласно которому в рас-
ширяющейся Вселенной происходило сглаживание ани-
зотропии. Одним из возможных механизмов такого про-
цесса являются нейтринные взаимодействия, хотя ученые
далеко не единодушны в своих теоретических оценках
роли «нейтринной вязкости».
Как видим, и здесь дело не обходится без неуловимых
нейтрино. В необходимости нейтринной астрономии убеж-
дают разработки в различных областях теоретической
астрофизики и теоретической космологии. «Нейтринная
астрономия,— отмечает академик В. Л. Гинзбург,—
„стучится в дверь®, она представляет собой одну из самых
интересных новых областей научных исследований, обе-
щающую принести ценные результаты, а быть может, и от-
крытия» *.
Разработку неоднородных и анизотропных моделей
некоторые ученые связывали с еще одной надеждой: им
казалось, что в таких моделях удастся обойтись без начала
отсчета времени, этого весьма странного и непонятного со-
стояния, при котором t = 0 (?!) и р -> оо (?!). Но, скорее
всего, подобные надежды не оправдаются. Исследования,
выполненные в начале 70-х годов В. А. Белинским,
Е. М. Лифшицем, И. М. Халатниковым, показывают, что
и в довольно общих решениях ОТО «особенность» (или, как
ее иначе называют, «сингулярность») не исчезает. Правда,
приближение к «особенности» в этом случае имеет свои осо-
бенности, но избавление от сингулярности не наступает,
* В. Л. Гинзбург, О физике и астрофизике. М., «Наука», 1974,
с. 104.
7 Е. П, Левитан
169
а каверзные вопросы, связанные с сингулярностью, оста-
ются. «По всей вероятности,— пишет В. Л. Гинзбург,—
для понимания этих вопросов нужны новые идеи; это
область исканий, ошибок и новых попыток найти
правильный путь» *
Один из возможных путей нередко связывается с соз-
данием квантовой теории гравитации. Такой, более об-
щей, чем ОТО, теории не существует. Но если она будет
создана, то в ней должны быть три мировые константы:
гравитационная (С), релятивистская (с) и квантовая (h). Мы
уже видели, как из комбинации этих величин получаются
выражения для плотности. Подобным же образом можно
написать величины размерности длины, времени и массы:
?g « 5 • 1098 г/см-»;
lg ж, 1,6-10'33 см;
tg = lg G ® 0,5 • Ю-^с;
Mg ~ Pglg ~ G“1/2^1/2c1/2 ~ 2 - 10“Б г (масса «гравитона»).
Интересно сравнить эти величины с величинами, ха-
рактерными для атомной и ядерной физики. Атомное
время, за которое электрон, двигаясь со скоростью 108 см/с,
пройдет расстояние 10~8 см (размер атома), есть ~10*1в с.
Ядерное время (~10-24 с) — это то, которое требуется
элементарной частице, движущейся со скоростью света,
чтобы пройти расстояние 10“18 см (размер элементарной
частицы). По сравнению с атомным и ядерным временем
представляются огромными промежутки времени, со-
ставляющие сотые или даже тысячные доли секунды, в ходе
которых развивались драматические события в начале
расширения Метагалактики. В свою очередь, атомное и
даже ядерное время огромны по сравнению с tg.
Среда, обладающая ядерной плотностью (~ 10lft г/см8),
представляется крайне разреженной по сравнению с чу-
довищным значением pg. Наконец, Mg (масса гравитона)
очень велика по сравнению с массой протона (тпр
== 1,6»10“м г) и, тем более, с массой электрона (те=0,9*
• г). Приведенные примеры показывают необычность
мира, в котором могут быть существенными квантовые
эффекты гравитации и на который нельзя распространять
ОТО.
* В. Jit Гинзбург. О физике и астрофизике. М.г 1974, с. 79.
170
Пака неизвестно, удастся ли когда-нибудь создать
«общую физическую теорию» (термин, встречающийся
в работах А. Л. Зельманова) и сумеет ли основанная на
ней космология избавиться от сингулярностей. Но если
удастся, то, быть может, в ней найдут естественное объ-
яснение странные числовые совпадения, на которые уже
давно обращалось внимание.
Речь идет о следующем. Если сравнить гравитационное
притяжение протона и электрона (оно вычисляется по фор-
муле закона всемирного тяготения) и их электростатиче-
ское притяжение (оно вычисляется по формуле закона Ку-
лона), то окажется, что электростатическое взаимодействие
примерно на 40 порядков превышает гравитационное. Так
вот, примерно такого же порядка (10***) получаются числа
в ряде расчетов, в которых фигурируют величины, взятые
из внегалактической астрономии, космологии и физики
элементарных частиц. Что же это за расчеты? Если в ка-
честве единицы времени взять уже известную нам вели-
чину 10-24 с, то в этих единицах возраст Метагалактики бу-
дет близок к 1040 (столько элементарных колебаний частиц
совершилось за время существования Метагалактики).
Это еще не все: примерно 1040 получится и в том
случае, если извлечь квадратный корень из числа частиц
(атомов водорода) в Метагалактике, т. е. число частиц
в Метагалактике равно квадрату ее безразмерного
времени.
Подобные удивительные соотношения, на которые,
в частности, обратил внимание знаменитый английский
физик Поль Дирак, приводят к парадоксальному выводу
о загадочном увеличении числа частиц в Метагалактике.
«Закон Дирака» на самом деле может оказаться простой
игрой чисел: если сейчас вашему ребенку 9 лет, то не бу-
дете же вы утверждать, что это как раз и есть квадрат чис-
ла членов «святой троицы». Правда, известен ряд гипотез
рождения вещества, возникших вне связи с «законом Ди-
рака» и развиваемых на протяжении последних несколь-
ких десятилетий. Постулат о рождении частиц опирается
в одних гипотезах на введение гипотетического «С-поля»
с отрицательной плотностью энергии, в других — на воз-
никновение пар нуклон — антинуклон, в третьих — на
взаимодействие расширяющегося вещества Метагалактики
с вакуумом, в четвертых — на возможности изменения со
временем гравитационной постоянной G.
7*
171
г
Анализ физического содержания подобных гипотез
приводит к выводу об их несостоятельности, так как
в них обнаруживается противоречие с фундаментальными
законами физики, что делает излишним их философское
рассмотрение.
Но вернемся к числовым совпадениям. 1040 (или при-
мерно такая величина) получается и в том случае, когда
берется отношение ядерной плотности к средней плотности
вещества в Метагалактике. 1040 — есть также отношение
радиуса нуклона к его гравитационному радиусу. Наконец,
1040 — отношение квадрата размеров нуклона к 4- Будут
ли найдены истинные причины этих совпадений, отражают
ли они глубокую связь микромира и мегамира, или будет
доказано, что это всего лишь совпадения, которые не
имеют никакого отношения к горизонтам космологии?
А теперь представим себе, что по мере исчерпания раз-
нообразных теоретических возможностей станет ясной не-
избежность сингулярности, как когда-то пришлось сми-
риться с противным здравому смыслу фактом расширения
Метагалактики. В этом случае придется искать и найти
удовлетворительное естественнонаучное и философское
объяснение сингулярности, хотя, очевидно, такая задача
гораздо сложнее, чем объяснение наблюдаемого расшире-
ния мира, в котором мы живем. Тогда придется признать,
что сингулярность — это особое, не изученное современ-
ной физикой состояние, в котором свойства материи, про-
странства и времени могут принципиально отличаться от
всех привычных нам форм и представлений. Поэтому
всякие рассуждения о конечности или бесконечности вре-
мени вблизи сингулярности имеют, по меньшей мере,
весьма условный характер.
Единственное, что бесспорно: дальнейшие исследования
особого состояния вещества, излучения, полей и совер-
шенно необычных, но, конечно, существующих объективно
и неотделимых от материи пространственно-временных
соотношений вблизи сингулярности, обогатят новыми
открытиями не только физику, но и материалистическую
философию. В грядущих открытиях с еще большей глуби-
ной раскроется мудрый смысл ленинских слов: «Ум чело-
веческий открыл много диковинного в природе и откроет
еще больше, увеличивая тем свою власть над ней...»*.
♦ В. И. Ленин. Поли. собр. соч., т. 18, с. 298.
172
Пожалуй, пора хотя бы очень кратко рассказать.о двух
основных точках зрения по вопросу еще более таинствен*
ному и касающемуся того, что могло быть до начала рас-
ширения, в каком состоянии находилось вещество и излу-
чение в самое странное время, соответствующее t < 0.
Прежде всего, можно предположить, что вещество до
начала расширения всегда было в сверхплотном состоя-
нии: строго говоря, все слова в этой фразе можно поста-
вить в кавычки, так как буквальные значения привычных
нам слов в данном случае оказываются очень неопреде-
ленными.
Альтернативное предположение гласит: эпохе расши-
рения Метагалактики предшествовала эпоха ее сжатия.
Значит, история мира могла включать стадии однократ-
ного сжатия и расширения или бесконечное множество
циклов сжатия и расширения. В таких моделях (с беско-
нечным временем) сингулярность — состояние, разделяю-
щее сжатие и расширение вещества. Будущее развитие
науки покажет, сколь преодолимы трудности, возникаю-
щие при анализе подобных гипотез.
Наконец, упомянем о гипотезе, согласно которой меж-
ду сжатием и расширением отсутствует сингулярность
Предложенная известными учеными Г. Альвеном и
О. Клейном (Швеция), эта гипотеза признает реальность
разбегания галактик, но не связывает это явление со взры-
вом гигантской «первородной бомбы», предлагая более
мирный вариант начала космологического расширения.
Согласно этой гипотезе, нет необходимости выходить за
рамки обычного трехмерного пространства и обычного
времени. Нужно лишь предположить, что, BO-nepBbixt
расширение началось не от точки, а от весьма ощутимого
сгустка вещества с диаметром порядка миллиарда свето-
вых лет. Во-вторых, до того, как вещество заняло этот
критический для него объем, оно находилось в значи-
тельно более разреженном состоянии и представляло со-
бой амбиплазму, т. е. смесь обычной плазмы (койновеще-
ства) с плазмой, состоящей из антивещества. Сжатие ам-
биплазмы не могло быть беспредельным, так как ему пре-
пятствовали у-из л учение и другие виды излучения, рож-
денные в ходе аннигиляционных процессов. Поэтому на
каком-то этапе сжатие сменилось расширением (например^
после радиационного взрыва). Нормальные галактики воз-
никли не сразу, а лишь после разделения вещества и ан-
173
г
тивещества в протогалактиках. В этом случае (и это
утверждают авторы гипотезы) в современной нам Все-
ленной должны наблюдаться одни галактики из вещества,
а другие из антивещества. Но пока ни одной галактики из
антивещества обнаружить не удалось.
Как видим, Альвен и Клейн не посягают на привычные
представления о времени и не рисуют в своем воображе-
нии рождение времени или какие-нибудь «пропасти»,
«щели» во времени и т. п. Они описывают некую непрерыв-
ную эволюцию нашей Метагалактики и допускают, что
аналогично могут развиваться и другие метагалактики.
Но сторонников у этой гипотезы мало, так как она до сих
пор не имеет никакого экспериментального обоснования.
РЕЛЯТИВИСТСКИЙ КОЛЛАПС
В природе могут реализоваться случаи, в которых
ничто не в состоянии препятствовать силам тяготения.
Слабое гравитационное взаимодействие, когда в нем начи-
нают участвовать гигантские массы вещества, может
стать могущественнее молекулярного, атомного и даже
внутриядерного. И тогда необузданная гравитация об-
ретает способность творить чудеса: она рождает галактики
и звезды; становится источником энергии в 100 раз более
эффективным, чем термоядерные превращения; приводит
к гибели массивные и сверхмассивные звезды. И всякий
раз первоосновой таких процессов является сжатие,
в ряде случаев переходящее в катастрофическое — коллапс.
По меткому выражению американского ученого К. Торна,
гравитационный коллапс может играть во Вселенной роль
и повивальной бабки и могильщика.
Познакомимся с этим удивительным явлением на при-
мере финальной стадии эволюции звезды, масса которой на
этой стадии эволюции оказалась не менее 2—3 солнечных.
Такая звезда, однажды потеряв устойчивость, уже ни-
когда не обретет ее. В процессе сжатия она стре-
мительно приближается к гравитационному радиусу*
и в жизни звезды, переживающей своеобразный «взрыв
внутрь», начинается релятивистская фаза с характерными
эффектами ОТО.
Гравитационный радиус (rg) соответствует критиче-
скому размеру звезды, а сферу, радиус которой равен гра-
витационному, называют сферой Шварцшильда, в честь
174
немецкого ученого К. Шварцшильда (1873—1916), полу-
чившего решение уравнений Эйнштейна сразу же после
создания ОТО.
Вдали от сферы Шварцшильда существует ньютонов-
ское поле тяготения, в котором ускорение свободного
падения g = —GMjr\ а гравитационный потенциал <р =
= — GM/r. На сфере Шварцшильда ф порядка с2, а фор-
мула для rg имеет вид rg = 2GM/c2 (или rg ~ 3 М/М® км).
Любопытно, что эта формула была известна Лапласу
еще в 1776 г. (разумеется, вне связи с ОТО). По суще-
ству, он в формулу для второй космической скорости
v ~ у ---- подставил v = с, получив rg — 2GM/c\
и пророчески заметил: «самые большие светящиеся тела
во Вселенной могут по этой причине оказаться для нас
невидимыми». Получается, что с точки зрения ньютонов-
ской теории гравитационный радиус это радиус такого
тела, из поля тяжести которого не может вырваться свет.
Скорость падения в поле тяжести такого тела тоже дол-
жна быть равна скорости света.
Зная массу, можно вычислить гравитационный радиус
для любого тела. Например, для Солнца rg = 3 км (при
р = 50 pTO), а гравитационный радиус человека (т =
= 80 кг) в 1010 раз меньше ядра атома: ~ 1,4«10“23см
(при р = 10s8 ряд).
Как представить себе картину гравитационного кол-
лапса? Прежде чем ответить, необходимо подчеркнуть,
что вопрос должен быть уточнен: релятивистский кол-
лапс по-разному выглядит с точки зрения внешнего на-
блюдателя и наблюдателя, в нем участвующего.
Профессор К. Торн блестяще пояснил картину кол-
лапса, прибегнув к следующей аналогии. На резиновой
мембране живут четыре муравья, которые общаются меж-
ду собой посредством перемещающихся со скоростью све-
та сигнальных шариков. Однажды, прогуливаясь, три
муравья попали в беду: мембрана, не выдержав их веса,
начала коллапсировать и несчастные муравьи оказались
вовлеченными в этот чудовищный процесс. Коллапсируя,
поверхность мембраны, во-первых, сокращалась, а, во-
вторых, круто изгибалась. Первое явление поясняет, как
под действием гравитационного притяжения звезды окру-
жающие предметы устремляются к центру коллапса. Вто-
рое напоминает о кривизне пространства — времени в
175
коллапсирующей звезде, плотность которой бесконечно
растет.
Но вернемся к муравьям, которые, чувствуя, что мем-
брана сокращается все быстрее и быстрее и что им уже не
суждено встретиться со своим четвертым собратом (как
и невозможно повернуть вспять течение времени), стали
направлять уцелевшему муравью через равные проме-
жутки времени прощальные шарики-сигналы. Но муравей-
наблюдатель получал шарики через все увеличивающиеся
интервалы времени. Дело становилось совсем неважным
по мере приближения к гравитационному радиусу. За
0,001 мин до этого муравьи отправили очередной шарик,
но он не скоро попал их другу. Следующий шарик бедняги
послали уже со сферы Шварцшильда, но, хотя по их часам
коллапс продолжался всего лишь 15 мин, этот шарик
так и остался на зловещей сфере. Впрочем, посылая свой
«критический» шарик, муравьи не знали о том, что они пе-
ресекают сферу и попадают в область, из которой «воз-
врата нет». Но это было именно так! Последние шарики
вообще не могли выбраться из могилы, в которую устре-
мились три муравья и где через 20 мин после начала кол-
лапса им предстояло познать нечто совершенно необык-
новенное. Единственное, чем могли утешиться несчаст-
ные муравьи — это полюбоваться необычным миром внут-
ри сферы Шварцшильда. Жаль только, что бедняги
ничего не сумеют рассказать своему теперь уже потусто-
роннему партнеру о мире, который наверняка удивитель-
нее Зазеркалья. В этом мире муравьям, быть может, приш-
лось встретиться и с диковинной геометрией пространства,
и с «барьером» во времени... Между тем осиротевший
муравей-наблюдатель сидел и ждал очередных посланий.
Ему тоже предстояла встреча с бесконечностью: ведь он
был внешним наблюдателем, с точки зрения которого для
достижения гравитационного радиуса' требуется беско-
нечное время.
Вся эта история с муравьями действительно облегчает
понимание гравитационного коллапса. В развитии коллап-
са теоретики выделяют три основные фазы. Первая крити-
ческая фаза охватывает процесс до момента, когда ра-
диус звезды стал 1,5 rg. В конце этой фазы звезда еще вид-
на, хотя движение квантов света затруднено: они не про-
сто покидают поверхность звезды, а сначала некоторое
время находятся в облаке, которое ее окружает.
176
Вторая фаза завершается, когда радиус звезды ста-
новится равным rg. Мы уже знаем, что это критический
момент, когда нужно «спешить видеть» звезду. Кое-что
наблюдатель еще сумеет увидеть, так как возникает фотон-
ное облако вблизи сферы Шварцшильда. Да и сами фотоны
уже не те: с трудом отделившись от сферы Шварцшиль-
да, они, потеряв значительную часть своей энергии, по-
краснели (в этом проявилось не допплеровское, а гравита-
ционное красное смещение). Все, что будет твориться, ког-
да звезда скроется за сферой Шварцшильда и произойдет
гравитационное самозамыкание, внешний наблюдатель,
комфортно расположившийся вдали от коллапса, не уви-
дит. Для него звезда, вначале ставшая красной, очень
быстро превратится в инфракрасную, а потом совсем
погаснет. Но звезда не исчезла и коллапс не прекратился.
Звезда продолжает сжиматься, сохраняя свою массу и
стационарное гравитационное поле. Процесс ее сжатия
будет (по часам муравья, участвующего в коллапсе) не
бесконечным, а конечным. В конечное время коллапси-
рующая звезда достигнет третьей критической фазы кол-
лапса, которая характеризуется бесконечно большой
плотностью и поэтому вполне может быть названа сингу-
лярной. Мы уже имели дело с сингулярностью при рас-
смотрении процесса расширения Метагалактики, а потому
знаем, насколько таинственно это «особое» состояние.
По словам К. Торна, «либо геометрия пространства —
времени станет сингулярной, как это имеет место в случае
сферического коллапса, либо, что еще более стран-
но, вселенная, с которой прежде у нас не было контакта,
может вдруг присоединиться к нашей Вселенной с помощью
коллапса. Это означает, что коллапсирующий объект нач-
нет расширяться, но в пространстве другой вселенной» *.
Предоставим читателям самим решить, какая из двух воз^-
можностей — сингулярность или столь своеобразный ан-
тиколлапс — более привлекательна.
отоны
Обилие ставших модными в астрофизике и космологии раз-
ноцветных «дыр» (черных, белых и даже серых) породило
термин «отоны» (от известного сокращения ОТО — общая
—---
* Я. Торн. Гравитационный коллапс,—«Земля и Вселенная», 1969»
•Ns 1, с. 48.
171
теория относительности). Отоны —класс объектов, ис-
следование которых возможно лишь на основе релятиви-
стской теории тяготения. Утвердившись на страницах кни-
ги Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, новый термин
имеет много шансов получить признание и распростра-
нение. И если это случится, то, наверное, не только из-за
наглядности придуманного слова, которое уже само по се-
бе пропагандирует ОТО. А еще и потому, что придуман,
по сути дела, элегантный способ увековечить память соз-
дателя ОТО в названии самых экзотических объектов
Вселенной. Известно, что Эйнштейн просил не погребать
его прах, а развеять по ветру. Поэтому на земле нет мо-
гилы Эйнштейна. Говоря словами советского писателя
Д. Данина, «человечество может условиться, что один из
лучших людей не умирал, а в самом деле просто соединил-
ся со всем живым».
Специальная теория относительности Эйнштейна уже
давно перестала быть чистой теорией, а формула Е = тс2
уже давно не простая эмблема современной физики. Не
такая ли прекрасная судьба ждет и общую теорию отно-
сительности? Именем ученого благодарное человечество
уже назвало 99-й элемент периодической системы
Д. И. Менделеева (эйнштейний Es; наиболее устойчивый
изотоп его имеет массовое число 254). Именем Эйнштейна
назван и кратер на Луне; он находится недалеко от грани-
цы, разделяющей видимую с Земли и обратную сторону
естественного спутника нашей планеты.
«Черные дыры» — пример наиболее «изученных» ото-
нов, если можно так сказать по отношению к объектам,
которых никто никогда не видел. Во всяком случае работ,
посвященных «черным дырам», уже очень много.
«Черная дыра» — это уже знакомый нам «коллапсар»,
«непрерывно коллапсирующий объект» или «застывшая звез-
да». В различных названиях этого объекта отражены те или
иные его свойства, которые, как мы знаем, неодинаково от-
крываются наблюдателю, издали созерцающему коллапс, и
тому любознательному наблюдателю-фанатику, который
принял решение до конца участвовать в коллапсе. Для
внешнего наблюдателя звезда угасает за время порядка
t » 10~5 (М1М® )с. Потом созерцатель может сколь угодно
долго смотреть на черное место в космосе, где еще недавно
сияло светило, но он ничего не увидит, так как в данном
случае свет отклоняется не на какие-нибудь 1,75*, как
178
свет звезды под действием притяжения Солнца. А если на-
блюдатель, каким-то образом выяснив, что перед ним «чер-
ная дыра», не знает, что было там до ее возникновения, то
ему будет очень трудно восстановить дошварцшильдов-
скую биографию объекта. Это потому, что «черная дыра»
может образоваться из любого материала, а две «черные
дыры», возникшие из разного материала, совершенно не-
отличимы. У них одинаковые массы, угловые моменты
вращения и барионный заряд. И не существует никаких
других отличительных признаков у «черных дыр», ведь
они, по выражению Дж. Уиллера, «не имеют шевелю-
ры». Скрывшись за сферой Шварцшильда, объекты, о ко-
торых раньше можно было сказать, что они состоят из
вещества или антивещества, из смеси вещества, фотонов
и нейтрино и т. д., став «черными дырами», потеряли всю
свою специфику.
Вращение коллапсирующей звезды (угловой момент
отличен от нуля) изменяет ее гравитационное поле. Роль
сферы Шварцшильда теперь играет поверхность «горизон-
та событий» (или «односторонняя мембрана», пропускаю-
щая свет и частицы только в одном направлении). Значит,
участвуя во вращающемся коллапсе, муравьи, скрывшись
за горизонтом событий, могли бы уже и не посылать сиг-
нальные шарики. Но у вращающейся звезды, кроме гори-
зонта событий, есть еще поверхность бесконечного грави-
тационного красного смещения. Между этими двумя осо-
быми поверхностями заключена эргосфера «черной дыры».
Как показывает название, эргосфера — резервуар энер-
гии, источником которой является вращение «черной ды-
ры». Так как эргосфера расположена выше горизонта
событий, то, попав в нее, частицы иногда могут вырваться
наружу, пополнив в эргосфере запас своей энергии.
С этим связан один из мыслимых способов извлечения
энергии из эргосферы.
Вообще же падение частиц (аккреция) на «черную дыру»
представляет собой специальную проблему. Падать на
одиночную «черную дыру» может межзвездный газ. Это
либо холодный и слабо ионизованный (температура 100 К,
плотность 10 частиц в 1 см8) или сильно ионизованный
газ с температурой около 5000 К, плотность не более 1 см-8.
Подобно муравьям, частицы газа, падающего на «черную
Дыру», достигнут rg за конечное время (по своим часам)
и даже не почувствуют, что они пересекли сферу Шварц-
179
шильда. А далекому наблюдателю будет казаться, что
газ, не добравшись до сферы Шварцшильда, накапливает-
ся в слое вблизи нее. Этот наблюдатель, исследуя спектр
движущегося к звезде газа, зафиксирует рост (до беско-
нечности) красного смещения. Но к своему удивлению
он так и не увидит бурного выделения энергии, которым,
казалось бы, должен завершиться процесс аккреции газа,
со всех сторон падающего на одиночную «черную дыру»
и в конце концов успешно преодолевшего разнообразные
препятствия на своем пути.
В природе очень много двойных звезд с различным
соотношением масс компонентов. Ничто не мешает пред-
ставить двойную систему, в которой одна звезда нормаль-
ная, а другая — «черная дыра». В тесных парах таких
экзотических двойных звезд возможна интенсивная пере-
качка вещества нормальной звезды на застывшую. Здесь
аккреция уже более энергично будет влиять на увеличение
массы застывшей звезды и изменение ее момента, умень-
шая или увеличивая его в зависимости от направления
вращения падающих частиц.
Когда «черная дыра» входит в состав двойной системы,
вещество падает на застывшую звезду уже не из беско-
нечности и в самом начале имеет плотность межзвездного
газа. Такую одностороннюю аккрецию нельзя назвать
«сферически-симметричной». Новые начальные физиче-
ские условия могут привести к иной картине финала ак-
креции на «черную дыру» и, в частности, к появлению
ударных волн, которых в спокойном случае не было. Но,
пожалуй, самое главное, что может при этом произойти —
возникновение вокруг невидимой застывшей звезды ви-
димого ободка из газа, излучающего рентгеновские лучи.
Мы скоро будем вынуждены подробнее рассмотреть эту
интереснейшую возможность, но сначала очень кратко
расскажем еще о некоторых явлениях, сопровождающих
аккрецию на застывшие звезды.
Прежде всего вернемся к сравнению электромагнит-
ного и гравитационного излучений. Самой наглядной
моделью атома является планетарная, согласно которой
электроны обращаются вокруг ядра подобно планетам,
движущимся вокруг Солнца. Но эта модель столь же не-
понятна, сколь наглядна, так как она не в состоянии без
дополнительных предположений объяснить само суще-
ствование атома. То, что атом имеет планетарное строенив|
180
следовало из опытов Резерфорда (1906), выполнившего
зондирование атома а-частицами. То, что атом Резерфор-
да не может существовать, следовало из законов электро-
динамики Максвелла. Согласно этим законам, ускоренно
движущийся электрон должен излучать электромагнит-
ные волны с частотой, равной частоте его обращения вок-
руг ядра. Но, излучая энергию, электрон должен прибли-
жаться к ядру и очень скоро (за время 10”8 с) упасть на
ядро. Об аналогичном небесномеханическом явлении (тор-
можение спутника в атмосфере Земли) говорилось в пер-
вой части этой книги. Бор, опираясь на идеи Планка о дис-
кретном характере излучения и на идеи Эйнштейна о су-
ществовании квантов света, сформулировал в 1913 г.
свои знаменитые постулаты, «разрешающие» атомам не
излучать энергию в стационарном состоянии и излучать
ее только при переходах из одного стационарного состоя-
ния в другое. Это не только позволило построить теорию
спектров атомов водорода и водородоподобных ионов, но
и привело к необходимости создания квантовой механики.
Какое отношение все сказанное имеет к физике аккре-
ции частиц на «черную дыру»? Довольно очевидное:
в процессе своего падения на «черную дыру» частицы газа
(гравитационный заряд) должны излучать гравитационные
волны, подобно электрическим зарядам, излучающим
электромагнитные волны. Но на деле картина оказывается
не такой простой и в ней нет полной аналогии ни с меха-
никой Ньютона, ни с квантовой механикой. Достаточно
сказать, что в отличие от классической механики, разре-
шающей устойчивое движение спутника по самым различ-
ным круговым орбитам, в ОТО существуют устойчивые
орбиты только для радиусов, больших некоторого значения.
Оказавшись ниже последней устойчивой орбиты, ча-
стица, падающая на «черную дыру», не излучает энергию.
От чего же зависит количество излучаемой гравитацион-
ной энергии? Расчеты приводят к следующим результа-
там. Если застывшая звезда не вращается, то у нее по-
следняя устойчивая орбита находится далеко от центра
коллапса и лишь менее 6% массы вещества частицы пере-
рабатывается в гравитационное излучение. Еще меньше
энергии (менее 4%) теряет частица, которая движется в
направлении, противоположном вращению застывшей
звезды. Значит, в этом случае последняя устойчивая
орбита находится еще дальше от центра коллапса. Боль-
181
ше всего гравитационной энергии (свыше 42%) должны
излучать частицы, направление вращения которых совпа-
дает с направлением вращения «верной дыры».
Теоретики интересуются не только энергией, теряемой
частицами, которые падают на «черную дыру», но
и способами извлечения энергии из самой «черной ды-
ры». Эта проблема обсуждалась в работах академика
Я. Б. Зельдовича, английских ученых Р. Пенроуза и
С. Хоукинга, ею занимался также и ряд других исследо-
вателей. Придуманы процессы, тормозящие вращение
«черной дыры»: считается, что вращающаяся застывшая
звезда может превратиться в невращающуюся, причем
выделившаяся энергия будет эквивалентна 0,3—0,5 мас-
сы «черной дыры».
Допустим теперь, что наблюдатель, издали следящий
за картиной коллапса, заинтересовался магнитным полем
коллапсара. Интерес его понятен, так как магнитное поле
может повлиять на ход аккреции вещества. Наблюдателю
известно из физики пульсаров, что напряженность «вмо-
роженного» в плазму звезды магнитного поля резко воз-
растает по мере сжатия звезды и при радиусе, близком
к гравитационному, может достичь огромных размеров
(1010 — 1014 Э). Но подобный результат наш наблюдатель
мог бы зафиксировать, если бы он покинул свое уютное
кресло и принялся за исследование магнитного поля
непосредственно из «гущи» коллапса. Иначе ему придется
убедиться в правильности далеко не очевидного резуль-
тата, который в 1964 г. получили В. Л. Гинзбург и
и Л. М. Озерной: по мере приближения к гравитацион-
ному радиусу магнитное поле отона стремится к нулю.
Разумеется, энергия внешнего магнитного поля не исче-
зает, так как о ее судьбе позаботятся возникшие магнито-
гидродинамические волны.
Мы не перечисляем все диковинные явления, которыми
так богата физика «черных дыр». Но и сказанного доста-
точно, чтобы, во-первых, понять насколько интересны та-
кие отоны и, во-вторых, всерьез задуматься над вопро-
сом о том, а существуют ли они в природе или все это кра-
сивая сказка, придуманная остроумными людьми.
Первоначально казалось, что «черная дыра» — это
самая настоящая «вещь в себе», так как никакая инфор-
мация из нее не может быть передана внешнему наблю-
дателю. Но время шло, и наступил момент, когда исследо-
182
вание теории «черных дыр» позволило взглянуть на них
более оптимистично. Так как «черные дыры» сохранили
свои гравитационные поля, которые вдали от этих объек-
тов ничем не отличаются от гравитационных полей нор-
мальных звезд, то когда-нибудь «черные дыры», возмож-
но, научатся открывать по возмущениям в движении
близких к ним звезд. Ясно, что таким образом эти объ-
екты могут себя легче всего проявить, если они входят
в состав тесных пар звезд, включая спектрально-двойные
системы. От звезды типа белого карлика «черную дыру»
будет отличать ее большая масса (больше двух солнечных).
Когда появится гравитационная астрономия, то и ее
мощь будет направлена на поиски гравитационного из-
лучения «черных дыр». О них мы, вероятно, когда-нибудь
узнаем и с помощью глубоко спрятанных под землей ней-
тринных телескопов. Теория, развитая Я. Б. Зельдови-
чем и О. X. Гусейновым, показывает, что в процессе кол-
лапса должна происходить нейтронизация вещества
с испусканием нейтрино, которые и можно будет зареги-
стрировать на Земле. Это не противоречит всему сказан-
ному о свойствах «черных дыр», так как расчеты показы-
вают, что нейтрино, слегка «покраснев», сумеют вырвать-
ся из могучих объятий застывшей звезды.
Но ни гравитационной, ни нейтринной астрономии по-
ка нет, а поиски «черных дыр» активно ведутся уже сей-
час. И основой поиска являются предсказания, сделанные
теоретиками, которые исследовали процесс аккреции ве-
щества на «черную дыру».
Работы советских ученых, выдвинувших и обосно-
вавших идеи обнаружения «черных дыр», нашли быстрое
признание. Под руководством Я. Б. Зельдовича интерес-
ные результаты получили теоретики Шемахинской астро-
физической обсерватории (Азербайджанская ССР) —
О. X. Гусейнов, X. И. Новрузова и П. Р. Амнуэль, а в
Специальной астрофизической обсерватории АН СССР
(Северный Кавказ, вблизи станицы Зеленчукской) —
В. ф. Шварцман. Полезные соображения, касающиеся
направления поиска «черных дыр», принадлежат и другим
советским, а также зарубежным ученым (В. Тримбль,
К. Торн, А. Камерон).
Какие же идеи положены в основу поиска объектов,
которые еще недавно никто всерьез не надеялся найти во
Вселенной?
183
Главная идея заключается в том, что в процессе аккре-
ции на черную дыру вещества, оказавшегося вблизи нее,
могут возникать различные виды излучений: у-из л учение,
жесткое рентгеновское излучение, инфракрасное излуче-
ние и даже оптическое излучение. Оптический поиск оди-
ночных «черных дыр» — слабых объектов с переменностью
в милли- и даже микросекунды — начали вести астроно-
мы Специальной астрофизической обсерватории АН СССР.
Такое излучение, согласно расчетам, могло возникнуть
в результате того, что застывшая звезда «натягивает»
и разогревает межзвездную плазму.
Особенно интенсивно исследуются двойные системы,
в которых «черные дыры» могут проявить себя по неопти-
ческому излучению. Списки кандидатов уже составлены.
Пока эти списки невелики, но они будут расширяться.
Какие же объекты включаются в эти списки и как прохо-
дит обсуждение кандидатур?
Прежде всего обращалось внимание на двойные систе-
мы, содержащие невидимую компоненту с массой более
двух солнечных и нормальную звезду, массу которой
удалось определить. Например, у спектрально-двойной
звезды 6 Близнецов масса видимой звезды 1 ,8М ©, а неви-
димой ~ 6М©. Если в определении масс не содержится
грубой ошибки, то S Близнецов, которую тщательно ис-
следуют астрономы Шемахинской обсерватории, в прин-
ципе могла бы содержать, согласно предсказанию
Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, «черную дыру».
К числу «подозрительных» относится один из самых
мощных источников рентгеновского излучения — Скор-
пион Х-1. В 1969 г. он был отождествлен со звездой 13-й
звездной величины. Рентгеновское излучение этого объек-
та связано с областью, размер которой не превышает
диаметра белого карлика — около 10 тыс. км,— но опти-
ческий спектр совсем иной, он напоминает новую звезду.
Совокупность сведений об этом источнике делает довольно
загадочной природу его рентгеновского излучения. Для
объяснения такого излучения требуется плазма с темпе-
ратурой около 50-IO8 К. Красивую модель предложил
И. С. Шкловский. По его мнению, Скорпион Х-1 —
двойная система, в которой одна из звезд относится к типу
вспыхивающих карликовых звезд (UV Кита), а вторая,
захватывающая выброшенное в результате вспышки ве-
щество,— «черная дыра». В 1974 г. советские астрофизики
184
в. м. Лютый, Р. А. Сюняев и Н. И. Шакура, проанализи-
ровав фотометрические и спектральные наблюдения, пока-
зали, что Скорпион Х-1 может оказаться двойной систе-
мой, удаленной от нас на 2 кпс. Но пока нет однознач-
ных соображений в пользу того, что в эту двойную сис-
тему входит «черная дыра».
Значительно больше шансов связать с «черной дырой»
другой рентгеновский источник — Лебедь Х-1, отожде-
ствленный в 1972 г. со звездой 9-й величины. Это звезда-
сверхгигант, ее светимость в 100 тыс. раз больше свети-
мости Солнца. Блеск сверхгиганта переменен, период из-
менения блеска 5,6 сут. В рентгеновском диапазоне наблю-
даются пульсации порядка 0,1 с. При аккреции газа на
«черную дыру», входящую в двойную систему, может,
как показал Сюняев, возникать подобная переменность.
Считается, что Лебедь Х-1 — наверняка двойная система
с невидимой компонентой. Массу звезды-невидимки оце-
нили независимыми способами и оказалось, что она не
должна быть меньше 10 масс Солнца. Поэтому скорее
всего можно считать, что наконец-то на расстоянии около
5 тыс. пс от Солнца обнаружена «черная дыра». Многим
хотелось сделать такой вывод обязательно в 1973 г. По-
чему? Да потому, что со времени предсказания нейтрон-
ных звезд, сделанного Л. Д. Ландау и Ф. Цвикки, до их
открытия Э. Хьюишем прошло 34 года. А в 1973 г. испол-
нилось 34 года со времени предсказания того, «что «черные
дыры» — одно из неизбежных следствий ОТО. Это пред-
сказание было сделано Р. Оппенгеймером и X. Снайдером
в 1939 г., и людям просто хотелось, чтобы число 34 еще
раз оказалось счастливым.
Если же говорить серьезно, то открытие «черных дыр»
стало делом сегодняшнего дня астрофизики. В существо-
вании «черных дыр» теперь мало кто сомневается и в этом
немалую роль играет все возрастающий авторитет общей
теории относительности.
Открытие пульсаров, оказавшихся быстро вращающими-
ся нейтронными звездами, безусловно, выдающееся дости-
жение и теоретической астрофизики и радиоастрономии.
Но если нейтронные звезды не есть чисто релятивистские
объекты, не отоны в полном смысле этого слова (ибо
нейтронные звезды могут существовать и в ньютоновской
теории), то «черные дыры» — личная собственность ОТО.
А потому их открытие (равно как и открытие гравита-
185
двойных волн) будет воспринято как новое торжест-
во ОТО.
Есть еще один путь, который, по мнению ряда теоре-
тиков, может привести к обнаружению «черных дыр». Не
только источники рентгеновских лучей, но и источники
у-лучей могут выдать присутствие застывших звезд.
Но гамма-астрономия пока еще в колыбели. Правда,
в 1972 г. ее младенческий крик привлек всеобщее внимание.
И хотя о «черных дырах» с помощью гамма-астрономии
тогда мы еще не узнали ничего нового, о самом феномене
необходимо напомнить.
Группа американских ученых, работавших в Лос-Ала-
мосской научно-исследовательской лаборатории, обрабо-
тала у-наблюдения, которые выполнялись в 1969—1972 гг.
на спутниках серии «Vela» («Парус»). Четырем таким спут-
никам, выведенным на круговые орбиты с радиусом около
120 тыс. км, не пришлось выполнять задачу, ради которой
их запустили. Эта система спутников должна была наб-
людать за взрывами ядерных бомб в космосе, но, к
счастью, такие наблюдения не понадобились, так как был
подписан договор о запрещении подобных испытаний.
Вот и пришлось спутникам «Vela» начать служить мирным
целям — искать всплески космического у-излучения. До
этого времени поиски у-излучения иногда включались
в программу и других спутниковых, а также баллонных
наблюдений. Шесть детекторов, установленных на каждом
спутнике «Vela», были чувствительны к фотонам с энерги-
ей 0,2—1,5 МэВ и обладали временном разрешением око-
ло 0,01 с. За три года 16 раз регистрировались сильные
всплески, энергия которых в тысячи раз превосходила
энергию фонового у-излучения и на которые отозвались
одновременно не менее двух детекторов. Всплески про-
должались от 1 до 10 с. Максимальная интенсивность
всплесков была порядка10“8 эрг • см-2 • с"1, а полный поток
за время всплеска 10“4—10~б эрг-см-2.
17 января 1972 г. многоканальный гамма-спектрограф,
установленный на борту советского искусственного спут-
ника «Космос-461», также зарегистрировал вспышку у-из-
лучения. Она в точности совпала с одной из вспышек,
которые наблюдали американцы. Ученые Физико-техни-
ческого института им. А. Ф. Иоффе нашли, что поток
энергии во вспышке 7—9-10”5 эрг*см”2. Это близко к при-
веденному выше результату.
186
Одновременная регистрация у-вспышек на различных
спутниках свидетельствует прежде всего о достоверности
самого факта: у-всплески действительно были, но нужно
выяснить, где находится источник излучения и какова
его природа. Если бы наблюдались не у-всплески, а та-
кой же интенсивности оптические вспышки, то они были бы
видны на небе ярче звезд и планет. «Увидеть» у-вспышку
несравненно труднее. Анализ результатов американских
наблюдений позволил исключить из кандидатов Землю,
Луну и Солнце, а также объекты в галактической плоско-
сти. Кроме того, почти полнебосвода можно исключить,
рассматривая результаты советских наблюдений, так как
в момент регистрации вспышки «Космос-461» не мог видеть
часть неба, закрытую Землей. Но, исключив все невоз-
можное, исследователи не остались без работы: нужно
было перебрать многочисленные оставшиеся возможности,
анализируя теперь уже не отдельные светила, а целые
классы небесных тел. Астрофизические соображения поз-
волили отсеять обычные звезды, похожие на Солнце. Та-
кая же участь постигла и карликовые вспыхивающие
звезды типа UV Кита, и магнитные звезды (с напряжен-
ностью внешнего поля 104—10б Э).
Так как за время наблюдения у-всплесков в Галактике
не были зарегистрированы вспышки сверхновых, то и эти
звезды вычеркивались из списка кандидатов. В принципе
во время взрывов сверхновых могут излучаться у-кванты,
но теория предсказывает, что должны наблюдаться очень
кратковременные всплески 10-5 с) с огромной энергией
(около 1 тыс. МэВ), т. е. вспышки, не похожие на обна-
руженные. Значит, из списков кандидатов приходится
вычеркивать не только сверхновые в нашей Галактике, но
и вспышки сверхновых в других галактиках.
Дальнейшие экспериментальные исследования должны
прояснить сложившуюся ситуацию, а до этого у теоретиков
будет, наверное, достаточно времени, чтобы всесторонне
обсудить различные гипотезы. Одни из них связывают
у-всплески с аннигиляцией позитронов, взаимодействую-
щих с обычным веществом. Другие — с процессами, по-
рожденными космическими лучами. Третьи — с коллап-
сом вращающихся магнитных сверхмассивных звезд (М о*
105Mq), спрятанных в ядрах сейфертовских галактик.
В день, когда пишутся эти строки, каждая из перечислен-
ных гипотез находится еще в очень сыром виде* Но не
187
исключено, что раньше, чем книга выйдет из печати, уже
будет сделан выбор из перечисленных гипотез или родится
новая и, конечно, «самая лучшая».
Итак, пока наиболее достоверно обнаруженной «чер-
ной дырой» принято считать невидимую звезду в системе
Лебедь Х-1. Однако, несмотря на это, внимательный чи-
татель заметил, что ученые уже как-то классифицируют,
различают коллапсары. В основном мы говорим об обычных
отонах, массы которых больше массы Солнца, но не во
много раз. А несколькими строками выше упоминалось
о возможном коллапсе сверхмассивной звезды (~ 106 7И@).
Коллапсом таких или еще более массивных объектов де-
лаются попытки объяснить источник активности ядер
галактик и квазаров. Существуют ли на самом деле сверх-
массивные звезды и сверхмассивные «черные дыры»,
пока сказать трудно.
Но уж если говорить о сортах «черных дыр», то нельзя
обойти молчанием «легкие» и «сверхлегкие» отоны. Сог-
ласно гипотезе английских ученых Дж. Гиббонса и С. Хо-
укинга, на ранних стадиях эволюции Метагалактики
могли возникнуть «черные дыры», массы которых неизме-
римо меньше массы Солнца. В сентябре 1973 г. профессор
Хоукинг прибыл на семинар академика Я. Б. Зельдо-
вича в Государственный астрономический институт им
П. К. Штернберга, чтобы рассказать об этой удивительной
гипотезе, допускающей «извечное» существование реликто-
вых «микродыр» с массами порядка 10-1- г! Однако, вдумы-
ваясь в сообщение английского физика, нельзя было не
вспомнить, что значительно раньше, правда, о других
микрообъектах (с массами порядка 10~5 г), сообщалось
в работах советских ученых, в частности, в работах ака-
демика М. А. Маркова и независимо от него профессора
К. П. Станюковича. Ведь, по существу, именно для та-
ких объектов, сходных с «черненькими дырочками», было
даже придумано название «плаикеоны» — в честь Макса
Планка. Какое место в мире звезд и элементарных частиц
могли занять такие замкнутые в себе «микровселенные»?
«Черненькие дырочки», имея ничтожную массу, долж-
ны обладать чудовищной плотностью (порядка 1093 —
1094 г/см3), причем им не запрещено находиться всюду —
и в космосе и на земле. Правда, обнаружить их не так-то
легко. Исследователей встретит много трудностей, одна
из них — острый дефицит этих необыкновенных объектов,
188
которых должно быть очень мало. Правда, не так мало,
чтобы они себя не могли проявить (если вообще «план-
кеоны», «Максимовы» или просто «черненькие дырочки»
существуют: ведь очень многие ученые весьма в этом сом-
неваются).
В 1974 г. даже появилась гипотеза о столкновении
микроотона с Землей. Американские астрофизики, при-
думавшие эту гипотезу, избрали местом встречи «черной
дыры» с поверхностью Земли бассейн реки Подкаменная
Тунгуска, а время встречи — 30 июня 1908 г. Иными
словами, они предложили еще одну (которую по счету?)
версию тунгусской катастрофы. Конечно, более современ-
но предположить, что причиной катастрофы была не прос-
стая увенчавшаяся грандиозным взрывом встреча Земли
с ядром небольшой кометы, а столкновение с «черненькой
дырочкой». Авторы гипотезы, учитывая начальные усло-
вия столкновения, вычислили, где могла появиться
«черная дыра», пронизавшая земной шар: в Атланти-
ческом океане, между островом Ньюфаундленд и Азор-
скими островами. Они уверяют, что подобное событие
должно было быть как-то отражено в вахтенных журна-
лах судов, плававших в тот день вблизи места, где «чер-
ненькая дырочка» рассталась с Землей. Этот пример гипо-
тезы, которая не встретила сколько-нибудь серьезной под-
держки в кругах научной общественности и была немед-
ленно подвергнута резкой критике, довольно поучителен,
так как он своеобразно отражает изменение подхода к
старой проблеме (в данном случае к проблеме Тунгус-
ского метеорита) по мере расширения общего кругозора
ученых.
Практической астрофизике предстоит еще открыть
«черные дыры». Но астрофизики-теоретики в существо-
вании «черных дыр» абсолютно уверены. Более того: они
пытаются развить своеобразную теорию эволюции этих
застывших объектов. На первый взгляд может пока-
заться, что речь идет о каком-то недоразумении, ибо
что может быть «мертвее» застывших космических объек-
тов, представляющих, например, последнюю стадию эво-
люции очень массивных звезд? Но похоже, что и слово
«застывшие» в применении к этим объектам нужно брать
в кавычках, так как «черные дыры» способны к эволю-
ции, в ходе которой они могут постепенно испаряться
или даже взрываться! Такой финал жизни отонов пред-
189
г
сказывается на основании теоретического анализа кван-
товых процессов, происходящих в сильных высокочас-
тотных гравитационных и электромагнитных полях.
В этих полях виртуальные частицы, составляющие то,
что принято называть физическим вакуумом, превра-
щаются в реальные. Как показали академик Я. Б. Зель-
дович и его ученики, частицы могут рождаться, напри-
мер, в поле тяготения вращающейся «черной дыры».
А согласно теории С. Хоукинга, возможны и такие кван-
товые процессы, при которых будет «таять» сама «черная
дыра». Иными словами: процессы в «черной дыре» не
совсем застыли, а значит даже «черные дыры» не вечны!
Теория позволяет указать сорта частиц, рожденных
«черными дырами», темп испарения «черных дыр» и
т. д. Но пока «черные дыры» еще не открыты, пожалуй,
можно не вдаваться в детали их эволюции*...
Более десяти лет назад в работах ряда авторов (в их
числе советский астрофизик И. Д. Новиков) была выска-
зана мысль, что во Вселенной могут существовать анти-
поды «черных дыр», «античерные дыры», т. е. «белые ды-
ры». Подобно «черным дырам», это объекты релятивист-
ские, а значит, они принадлежат к элите отонов. В отличие
от «черных дыр», они возникли на самых ранних эта-
пах расширения Метагалактики. Но почти сразу же по-
чему-то обособились и, замкнувшись в себе, т. е. скрыв-
шись под своим гравитационным радиусом, отказались
участвовать в расширении Метагалактики. Такой «отрыв
от коллектива» был весьма длительным, но все-таки не
вечным. Прошло некоторое время, неодинаковое для раз-
ных «белых дыр», но исчисляемое миллиардами лет по
часам внешнего наблюдателя, и задержавшиеся в своем
развитии космологические отоны «решили», хотя и с опоз-
данием, выйти из-под гравитационного радиуса и начать
расширяться. Правда, среди «белых дыр» мыслимы такие,
которые из-за недостатка энергии не могут выйти из-под
гравитационного радиуса. Однако в дальнейшем речь
пойдет не о таких «серых», а полноценных «белых дырах».
Антиколлапс «белой дыры» внешний наблюдатель мо-
жет увидеть как взрыв, природа которого будет казаться
* См.: И. Д. Новиков. «Черные дыры» взрываются.—«Земля
и Вселенная», № 3, 1976.
190
ему совершенно загадочной. Взрыв, сопровождающий
трансформацию «белой дыры», может быть грандиозным.
Не случайно гипотеза «белых дыр» была предложена
И. Д. Новиковым как красивая попытка объяснить фено-
менальное энерговыделение в квазарах и ядрах галактик.
Но квазары «светят» долго. Антиколлапс же не должен
быть длительным хотя бы потому, что «белая дыра», из-
лучая энергию и генерируя новорожденные пары частиц,
быстро теряет массу.
Если бы наблюдатель обладал необыкновенной спо-
собностью рассматривать все стадии и детали взрыва
«белой дыры», то его наверняка поразило бы одно стран-
ное обстоятельство. Мы помним, что при наблюдении кол-
лапса все «кончалось» для внешнего наблюдателя, когда
коллапсирующее вещество скрывалось под сферой Шварц-
шильда. Казалось бы, антиколлапс, являющийся обраще-
нием коллапса, можно видеть только после того, как ве-
щество «белой дыры» появится из-под гравитационного
радиуса. Но еще в 1-963 г. И. Д. Новиков и Л. М. Озер-
ной впервые доказали, что это не совсем так. Физическая
сущность их исследования сводится к следущему. Обра-
щение процесса сжатия во времени и превращение сжатия
в расширение приводит к нарушению симметрии наблю-
даемой картины. Лучи света, которые позволяли наблю-
дателю видеть коллапс, сходились к «черной дыре», а от
«белой дыры» идет расходящийся пучок. Это существен-
но, так как картина коллапса для внешнего наблюдателя
очень сильно зависит от эффекта Допплера. При коллапсе
он действует однонаправленно с замедлением времени в
сильном поле тяготения. Значит, он поможет делу замед-
ления процесса, который видит внешний наблюдатель.
При антиколлапсе эффект Допплера будет столь активно
ускорять ход процесса, что внешний наблюдатель при
очень большом желании сумеет увидеть весь процесс рас-
ширения, начиная от сингулярности.
Вопрос только в том, существуют ли в действитель-
ности «белые дыры» и могут ли они взрываться, ведь их
существование еще более проблематично, чем существо-
вание «черных дыр». Но если будет каким-то образом до-
казано, что в далеком прошлом возникло хотя бы немного
«белых дыр» и что их масса из инертной может превратиться
в активную, то это представит чрезвычайно большой ин-
терес для астрофизики и внегалактической астрономии,
191
хотя вряд ли таким образом удастся объяснить загадки
природы квазаров.
Поиски «черных» и «белых» отонов могут не только
изменить или конкретизировать существующие представ-
ления о различных видах небесных тел, но и внести серь-
езные коррективы в фундаментальные представления о
геометрии Вселенной. Может оказаться, что переход от
евклидового пространства классической физики к неевк-
лидовому пространству общей теории относительности
есть лишь начало революции взглядов и представлений,
касающихся геометрии мира, в котором живут звезды и
галактики. «Черные» и «белые дыры», оказавшись реаль-
ностью, в принципе могут поставить нас перед фактом
существования странного мира, разные области простран-
ства которого связаны какими-нибудь неизвестными ныне
«туннелями», по которым энергия уходит в «черные дыры»,
а поступает из «белых дыр». Фантастика? Возможно.
Но более определенный ответ на этот и многие другие
вопросы призваны дать дальнейшие многотрудные иссле-
дования Вселенной.
Здесь, пожалуй, следует остановиться и поставить
точку, хотя, может быть, некоторым и покажется, что на-
ше повествование прервано на самом интересном месте.
Откровенно говоря, автор и сам так думает, ведь поток
работ, посвященных «черным» и «белым дырам», неудер-
жимо растет, вместе с тем растет интерес неспециалистов
к проблемам, связанным с «дырами» в топологии простран-
ства-времени. Людям хочется не только заглянуть в эти
«дыры», но и, «пользуясь» ими, совершить мысленное
путешествие в пространстве и времени, побывать в «дру-
гих пространствах», навестить «абсолютное прошлое», по-
сетить «абсолютное будущее» и т. п. Но поставить точку
действительно нужно, так как необходимо время для того,
чтобы новейшие космологические и астрономические
идеи отстоялись, многократно перепроверились новыми
исследованиями и получили бы подтверждение или просто
остались на страницах истории науки. В частности, очень
интересны появившиеся в последнее время работы, посвя-
щенные активности «черных дыр», их «испарению», их «взры-
вам».
Конечно, в известной мере подобное замечание отно-
сится и к ряду других вопросов, которым в книге уделя-
лось немалое внимание, но мы старались по возможности
492
Подчеркивать сиюминутность соответствующих данных,
приглашая читателя сверить их достоверность в те дни,
месяцы или годы, когда у него в руках окажется эта
книга.
Сегодня астрономическую общественность очень вол-
нует вопрос о «скрытой» массе во Вселенной. Существует
она или нет? Можно ли дать однозначный ответ на этот
вопрос? Действительно ли галактики окружены массив-
ными коронами? От ответов на эти вопросы, как мы ви-
дели, зависят фундаментальные выводы, касающиеся ве-
личины средней плотности материи, а значит, и дальней-
шей судьбы нашей Вселенной.
Взгляните на картинку на обложке книги. Там изо-
бражен ореол вокруг эллиптической галактики М 87,
входящей в богатое скопление галактик в созвездии Девы.
Раньше этой галактикой считалась только светлая цент-
ральная область, а теперь, если в наблюдениях и их ин-
терпретации нет ошибки, полагают, что владения галактики
включают и ореол, а потому простираются далеко за
пределы ее старых границ.
Правы сторонники существования «скрытой» массы или
они ошибаются, наверное, выяснится в недалеком буду-
щем. Такой прогноз, несмотря на его рискованность,
вероятно, все-таки можно сделать, исходя из темпов раз-
вития реальных достижений космонавтики. На околозем-
ных орбитальных пилотируемых станциях «Скайлэб» и
«Салют» успешно на протяжении длительного времени
работали астронавты и космонавты, в распоряжении ко-
торых находились инфракрасные, ультрафиолетовые, рент-
геновские и гамма-инструменты, способные зарегистри-
ровать космическое излучение, недоступное для наземных
обсерваторий. Работа второго экипажа станции «Салют-4»
(П. И. Климук и В. И. Севастьянов) проходила в то вре-
мя, когда осуществлялся первый в истории международ-
ный полет кораблей «Союз» и «Аполлон». Тогда же, в се-
редине 1975 г., на окололунной орбите продолжала свою
работу советская автоматическая станция «Луна-22», на
околоземной орбите продолжали функционировать много-
численные советские и американские искусственные спут-
ники, к Венере уже летели две новые советские автомати-
ческие космические станции «Венера-9» и «Венера-10»,
а американские ученые направили к Марсу свои «Ви-
кинги».
193
В октябре 1975 г. «Венера-9» и «Венера-10» успешно
завершили свой полет. Вокруг соседней с нами планеты
стали обращаться два первых искусственных спутника.
Спускаемые аппараты станций совершили мягкую посадку
на поверхность загадочной планеты, примерно в течение
часа проводили фотографирование, измерение освещен-
ности, физических свойств и характера грунта в месте
посадки. Сигналы со спускаемых аппаратов принимались
на борт искусственных спутников и оттуда ретранслиро-
вались на Землю. В результате этого блестящего экспе-
римента, который советские ученые посвятили XXV съезду
КПСС, получены два панорамных изображения участков
поверхности Венеры, удаленных друг от друга на рас-
стояние 2200 км. Новая победа советской космонавтики
получила исключительно высокую оценку научной обще-
ственности всего мира.
Такой небывалый ранее размах космических ис-
следований — залог успеха в решении самых трудных
задач, возникающих перед Человеком, познающим Все-
ленную.
ЛИТЕРАТУРА
Монографии, справочные и учебные пособия
Амбарцумян В. А., Мирзоян Л. В., Саакян Г. С. и др. Пробле-
мы современной космогонии. М., «Наука», 1969.
Бакулин П. И., Кононович Э. В., Мороз В. И. Курс общей астро-
номии. Изд. 3-е М., «Наука», 1974.
Белецкий В. В. Очерки, о движении космических тел. М., «Наука»,
1972.
Бербидж Дж., Бербидж М. Квазары. М., «Мир», 1969.
Брандт Дж., Ходж П. Астрофизика солнечной системы. М.,«Мир»,
1967.
Брумберг В. А. Релятивистская небесная механика. М., «Наука»,
1972.
Воронцов-Вельяминов Б. А. Внегалактическая астрономия. М.,
«Наука», 1972.
Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике. Изд. 2-е. М., «Наука»,
Гребенников Е. Л., Демин В. Г. Межпланетные полеты. М., «Нау-
ка», 1965.
Гродзовский Г. Л., Иванов Ю. Н., Токарев В. В. Механика кос-
мического полета с малой тягой. М., «Наука»., 1966.
Дайсон Ф., Тер-Хаар Д. Нейтронные звезды и пульсары. М.,
«Мир», 1973.
Данжи Дж. Космическая электродинамика. М., «Атомиздат», 1961.
Дубошин Г. Н. Небесная механика. Основные задачи и методы.
М., «Наука», 1968.
Егоров В. А. Пространственная задача достижения Луны. М.,
Наука», 1965.
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Релятивистская астрофизика. М.,
«Наука», 1967.
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Теория тяготения и эволюция
звезд. М., «Наука», 1971.
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной.
М., «Наука», 1975.
Каплан С. А., Цытович В. Н. Плазменная астрофизика. М., «Нау-
ка», 1972.
Каула У. Введение в физику планет земной группы. М., «Мир»,
1971.
Космонавтика. Маленькая энциклопедия. Изд. 2-е. М., «Совет-
ская энциклопедия», 1970.
Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. Изд. 2-е. М., «Наука»,
1971.
Мороз В, И. Физика планет, М,, «Наука», 1967.
195
Озерной Л. М., Прилуцкий О. Ф., Розенталь И. П. Астрофизика
высоких энергий. М., «Атомиздат», 1973.
Пиблс П. Физическая космология. М., «Мир», 1975.
Пикельнер С. Б. Основы космической электродинамики. Изд. 2-е.
М., «Наука», 1966.
Ракобольская И. В. Ядерная физика. М., Изд-во МГУ, 1971.
Сафронов В. С. Эволюция допланетного облака и образование Зем-
ли и планет. М., «Наука», 1969.
Соболев В. В. Курс теоретической астрофизики. М., «Наука», 1967.
Субботин М. Ф. Введение в теоретическую астрономию. М., «Нау-
ка», 1968.
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по фи-
зике. М., «Мир», 1965—1969.
Физика и астрономия Луны. Сб. статей. М., «Мир», 1973.
Фридман А. А. Избранные труды. М., «Наука», 1966.
Шама Д. Современная космология. М., «Мир», 1973.
Шкловский И. С. Сверхновые звезды. М., «Наука», 1966.
Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. М., «Нау-
ка», 1975.
Научно-популярные книги, брошюры, статьи
Авдулов М. В. Термодинамика земного шара.—«Земля и Вселен-
ная», 1974, № 3.
Азбель М. Я. Мир, в котором живут звезды. М., «Знание», 1972.
Амбарцумян В. А. Ядра галактик.—«Земля и Вселенная», 1969,
№ 2.
Амнуэль П. Р. Невидимые миру звезды.—«Земля и Вселенная»,
1972, «№ 2.
Амнуэль П. Р. Эти странные рентгеновские источники.—«Земля
и Вселенная», 1974, № 2.
Бисноватый-Коган Г. С. Феномен пульсаров.—«Земля и Все-
ленная», 1974, № 2.
Васильев М. В., Станюкович К, П. Сила, что движет мирами. М.,
«Атомиздат», 1969.
Гинзбург В. Л. Космические лучи у Земли и во Вселенной. М.,
«Наука», 1967.
Гинзбург В. Л. Проблема высокотемпературной сверхпроводимо-
сти.— «Природа», 1969, Кг 7.
Гинзбург В. Л. Современная астрофизика. М., «Наука», 1970*
Гинзбург В, Л. Что такое пульсары?—«Земля и Вселенная», 1971,
№ 2.
Горбацкий В. Г» Космические взрывы. Изд. 2-е. М., «Наука», 1972.
Гребенников Е. А. Рябов Ю. А. Что такое небесная механика.
М., «Наука», 1966.
Гуревич Л. Э., Глинер Э. Б. Общая теория относительности после
Эйнштейна. М., «Знание», 1972.
Дорошкевич А. Г. Симпозиум по космологии.—«Земля и Вселен-
ная», 1974, № 2.
Дорошкевич А. Г. Рождение галактик в расширяющейся Вселен-
ной.—«Земля и Вселенная», 1974, № 6.
Ефремов Ю. И» В глубины Вселенной. М., «Наука», 1973.
Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли, Луны и планет, Мм
«Знание», 1973«
196
Засов А. В. Космология и наблюдения.—«Земля и Вселенная^
1965, № 4.
Зельдович Я. Б. Теория расширяющейся Вселенной, созданная
А. А. Фридманом.— В кн.: А. А. Фридман. Избранные труды.
М., «Наука», 1961.
Зельдович Я. Б. Горячая Вселенная.—«Земля и Вселенная», 1969,
№ 3.
Зельдович Я.Б. Рождение элементарных частиц. «В кн.: «Будущее
науки», Международный ежегодник. Вып. 5,М., «Знание», 1972.
Каплан С. А. Физика звезд. Изд. 2-е. М., «Наука», 1970.
Каплан С. А., Пикельнер С. Б., Цытович В. Н, Динамика солнеч-
ной плазмы. М., «Знание», 1974.
Куликов К. А., Сидоренков Н. С. Планета Земля. М., «Наука»,
1972.
Левантовский В. И. Механика космического полета в элементарном
изложении. М., «Наука», 1970.
Левитан Е. П. Природа солнечных пятен. М., Изд-во АН СССР,
1964.
Левитан Е. П. Человек и Вселенная. М., «Знание», 1973.
Мазец Е. П. и др. Вспышки космического гамма-излучения по наб-
людениям на ИСЗ «Космос-461».—«Природа», 1974, № 3.
Мельников О. А., Попов В. С. Астроспектроскопия— язык Все-
ленной. М., «Знание», 1973.
Мирошниченко Л. И. Космические лучи в межпланетном простран-
стве. М., «Наука», 1973.
Мухин К. Н. Занимательная ядерная физика. М#, «Атомиздат»,
1969.
Новиков И. Д. Открытие первичного радиоизлучения Метагалак-
тики.—«Земля и Вселенная», 1966, № 3.
Новиков И. Д. Гравитирует ли вакуум?—«Земля и Вселенная»,
1969, № 5.
Озерной Л. М. Ядра квазаров и активных галактик.—«Земля и
Вселенная», 1973, № 3.
Озерной Л. М., Шварцман В. Ф. Международный симпозиум «Гра-
витационное излучение и гравитационный коллапс».—«Земля
и Вселенная», 1974, № 3.
Пикельнер С. Б. Межзвездный газ, космические и рентгеновские
лучи.—«Земля и Вселенная», 1969, № 3.
Пекер Ж.-К. Экспериментальная астрономия. М., «Мир», 1973*
Прилуцкий О. Ф. и др. Мощные всплески гамма-лучей — новое
астрономическое открытие.—«Природа», 1974, № 3.
Псковский Ю. П. Новые и сверхновые звезды. М., «Наука», 1974.
Пушков Н. В. Вспышки на Солнце и геофизические последствия.—
«Земля и Вселенная», 1974, № 4.
Руденко В. Н. Гравитационные антенны.—«Земля и Вселенная»,
1973, № 4.
Руффини Р., Уиллер Дж. Знакомьтесь: черная дыра.—«Земля и
Вселенная», 1972, №2.
Северный А. Б. Магнитное поле Солнца.—«Земля и Вселенная»,
1968, № 6.
Северный А. Б. Магнитное поле Солнца и звезд.—«Земля и Все-
ленная», 1973, № 3.
197
Смородинский Я. А. Теория тяготения — открытия, парадоксы, ги-
потезы. —-«Наука и жизнь», 1973, № 2.
Струве О., Зебергс В. Астрономия XX зека. М., «Мир», 1968.
Торн К. Гравитационный коллапс.—«Земля и Вселенная», 1969,
№ 1.
Трубицын В. П. Внутреннее строение планет-гигантов.—«Земля
и Вселенная», 1974, № 1.
Уикс Т. Астрофизика высоких энергий. М., «Мир», 1972.
Франк-Каменецкий Д. А. Плазма — четвертое состояние вещества.
М., «Атомиздат», 1963.
Хьюиш 3. Пульсары.—«Земля и Вселенная», 1971, № 6.
Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. Изд. 3-е, М., «Наука»,
1973.
Шкловский И. С. Проблема «мистериума».—«Земля и Вселенная»,
1966, Кг 6; 1967, Ко 1.
СОДЕРЖАНИЕ
От автора 3
Ньютоновское тяготение ...«»»••»«» 5
От зарождения астрономии к гелиоцентриче-
ской системе.................................... 5
Законы Кеплера................................. 10
Поступательное движение небесных тел . . « 17
Вращение небесных тел..............* . . 21
Движение Луны.................................. 29
Приливы и эволюция системы Земля — Луна 33
Механические явления в космогонии ...... 36
Устойчива ли солнечная система? .»»•»»» 45
От Ньютона к Эйнштейну............. » • • » 48
Экспериментальная небесная механика * » • » 57
«Земная» физика в космической лаборато-
рии ........................................... 64
От механики к физике и философии * * » . • 64
Спектроскопия........69
Термодинамика 79
Магнитогидродинамика .«»»»»».» » « » • 87
Частицы вещества и излучения >«.»»»»• 92
Космические лучи » ..,,.4 »«»»»»»• * 99
Ядерная физика............................109
Физика «экзотических» состояний 119
Вселенная с точки зрения ОТО 132
Расширяющаяся Метагалактика . . • * « • » • 132
Модели Вселенной ...»»»•>»•»>»••» 138
Космология и наблюдения »•••»»•»••» 145
«Горячая» Вселенная . 150
От космологии к космогонии галактик , • « « » 160
Волны гравитации ...» »»»...»•>• • 165
Горизонты космологии 167
Релятивистский коллапс 174
Отоны................................... 177
Литература , . ••••••••••••••«•«• 195
Ефрем Павлович Левитан
ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ
Утверждено к печати
редколлегией серии научно-популярных-изданий
Академии наук СССР
Редактор В. К. Низковский
Художественный редактор В. Н. Тикунов
Технический редактор Е. Н. Евтяиова
Корректоры Т. В. Гурьева, Р.П. Шаблеева
Сдано в набор 24/Х 1975 г.
Подписано к печати 16/lt 1976 г.
Формат 84 к Ю87в € Бумага типографская № 1
Усл. печ. л. 10,5 Уч.-изд. л. 10,8 Тираж 50 000
Т-03535 Тип. зак, ЗОИ Цена 68 коп.
Издательства «Наука»
103717 ГСП, Москва, К-62, Подсосенский пер., д. 21
2-я типография издательства «Наука»
121099. Москва Г-99, Шубинский пер., д. 10
Изображение галактики М 87
(к стр. 193)
Механика и физика XVIII в.
15 л. 1 р.
В сборнике освещены многие
узловые проблемы развития
механики и физики в XVIII в.
Показано возникновение исто-
рии науки как самостоятельной
дисциплины, прослежено ста-
новление русской научной тер-
минологии в области механики
и физики, рассмотрено научное
творчество ряда выдающихся
ученых XVIII в. (Ломоносова,
Эйлера, братьев Бернулли,
Д'Аламбера, Лагранжа и др.).
ПЕТРОСЯНЦ А. М. Атомная
энергетика. 28 л 2 р. 05 к.
В книге председателя Государ-
ственного комитета по исполь-
зованию атомной энергии
СССР А. М. Петросянца дается
обзор состояния атомной энер-
гетики в Советском Союзе, в
социалистических странах СЭВ
и в ведущих капиталистических
странах. Приведены техниче-
ские характеристики реакторов
атомных электростанций, дей-
ствующих во многих странах
мира. Особое внимание уделе-
но реакторам на быстрых ней-
тронах, без освоения которых
немыслимо развитие мировой
атомной энергетики.
Адреса магазинов «Академкнига»:
480391 Алма-Ата, ул. Фурманова, 91/97;
370005 Баку, ул. Джапаридзе, 13;
320005 Днепропетровск, проспект Га-
гарина, 24; 734001 Душанбе, проспект
Ленина, 95; 664033 Иркутск, 33, ул.
Лермонтова, 303; 252030 Киев, ул.
Ленина, 42; 277012 Кишинев, ул. Пуш-
кина, 31; 443002 Куйбышев, проспект
Ленина, 2; 192104 Ленинград, Д-120,
Литейный проспект, 57; 199164 Ленин-
град, Менделеевская линия, 1; 199004
Ленинград, 9 линия, 16; 103009 Моск-
ва, ул. Горького, 8; 117312 Москва,
ул. Вавилова, 55'7; 630090 Новоси-
бирск, Академгородок, Морской прос-
пект, 22; 630076 Новосибирск, 91,
Красный проспект, 51; 620151 Сверд-
ловск, ул. Мамина-Сибиряка, 137;
Ташкент, Ц-15, ул. 50 лет Узбекиста-
на, 11; 700029 Ташкент, Л-29, ул. Ле-
нина, 73; 700100 Ташкент, ул. Шота
Руставели, 43; 634050 Томск, наб. реки
Ушайки, 18; 450075 Уфа, Коммунисти-
ческая ул., 49; 450075 Уфа, проспект
Октября, 129; 720001 Фрунзе, бульвар
Дзержинского, 42; 310003 Харьков,
Уфимский пер., 4/6.
ИЗДАТЕЛЬСТВО-НАУКА-