Планеты, возникновение и развитие. Современные космологические модели Вселенной. Основные этапы космической эволюции

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении  вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости  ее экватора) авторы космогонических  гипотез обычно объясняют повторением  в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют  захватом [2].

1.3 Движение планет по орбите

Помимо того, что планеты  обращаются по своей орбите вокруг звезды, они ещё и вращаются  вокруг своей оси. Период вращения планеты  вокруг оси известен как сутки. Большинство  планет Солнечной системы вращаются  вокруг своей оси в том же направлении в каком обращаются вокруг Солнца, против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца, кроме Венеры, которая вращается по часовой стрелке и Урана, экстремальный осевой наклон которого порождает споры, какой полюс считать южным и какой северным, и вращается ли он против часовой или по часовой стрелке. Однако, какого бы мнения ни придерживались стороны, вращение Урана ретроградное относительно его орбиты. Период, за который планета обращается вокруг звезды, называется сидерическим или годом. Планетарный год в немалой степени зависит от расстояния планеты от звезды; чем дальше планета находится от звезды, тем большую дистанцию она должна пройти, и тем медленнее она движется, так как менее затронута гравитацией звезды. Поскольку никакая орбита не является совершенно круглой, расстояние между звездой и планетой на орбите варьируется в течение сидерического периода. Точку орбиты где планета ближе всего к звезде называют периастром (перигелий в Солнечной системе), тогда как самая дальняя точка орбиты называется апоастром (афелий в Солнечной системе). Поскольку в периастре планета ближе к светилу, потенциальная энергия гравитационного взаимодействия переходит в кинетическую и её скорость увеличивается подобно тому как брошенный высоко камень — ускоряется приближаясь к земле, а когда планета находится в апоастре, её скорость уменьшается, подобно тому как тот же брошенный вверх камень замедляется в верхней точке полёта. Период вращения для экзопланет не известен. Однако близкое расположение к звёздам горячих юпитеров означает, что на одной стороне планеты царит вечная ночь, а на другой вечный день (орбита и вращение синхронизированы) [1].

1.4 Наклон оси

 Планеты также имеют,  помимо прочего, разные углы  осевого наклона: они лежат  под определённым углом к плоскости  экватора материнской звезды. Именно  поэтому количество света, получаемого  тем или иным полушарием, меняется  в течение года; когда северное  полушарие оказывается от звезды дальше, чем южное, и наоборот. На каждой планете есть смена сезонов, изменение климата в течение года. Время, когда одно из полушарий находится ближе или дальше всего от Солнца называется солнцестоянием. У полушарий на протяжении всей планетарной орбиты случается два солнцестояния: когда одно из полушарий находится в летнем солнцестоянии, и день там самый длинный, и когда одно из полушарий находится в зимнем солнцестоянии, с его чрезвычайно коротким днём. Разное количество тепла и света получаемое каждым полушарием служит причиной ежегодных изменений в погодных условиях. Осевой наклон Юпитера чрезвычайно низкий, и сезонные изменения там минимальны. Уран, в противоположность обладает осевым наклоном настолько экстремально высоким, что практически «обращается вокруг Солнца на боку», и одно из его полушарий либо постоянно под солнечным светом, либо постоянно находится в темноте во время солнцестояний. Что касается экзопланет, то их осевые наклоны неизвестны наверняка, однако, большинство «горячих юпитеров» обладают, по-видимому, чрезвычайно низким наклоном, что является результатом близости к звезде. Наклон земной оси приблизительно 23° [1].

2. Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала так называемая теория стационарного  состояния Вселенной, согласно которой  Вселенная всегда была почти такой  же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались  их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

 · Вселенная — это  всесуществующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

 · Пространство и  время Вселенной абсолютны, они  не зависят от материальных  объектов и процессов. 

 · Пространство и  время метрически бесконечны.

 · Пространство и  время однородны и изотропны.

 · Вселенная стационарна,  не претерпевает эволюции. Изменяться  могут конкретные космические  системы, но не мир в целом. 

 Современные космологические  модели Вселенной основываются  на общей теории относительности  А. Эйнштейна, согласно которой  метрика пространства и времени  определяется распределением гравитационных  масс во Вселенной. Ее свойства  как целого обусловлены средней  плотностью материи и другими  конкретно-физическими факторами.  Современная релятивистская космология  строит модели Вселенной, отталкиваясь  от основного уравнения тяготения,  введенного А. Эйнштейном в  общей теории относительности.  Уравнение тяготения Эйнштейна  имеет не одно, а множество  решений, чем и обусловлено  наличие многих космологических  моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.

 Эта модель казалась  в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась  со всеми известными фактами.  Но новые идеи, выдвинутые А.  Эйнштейном, стимулировали дальнейшее  исследование, и вскоре подход  к проблеме решительно изменился. 

 В том же 1917 г. голландский  астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

 В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.

 Решение уравнений  А. А. Фридмана, допускает три  возможности. Если средняя плотность  вещества и излучения во Вселенной  равна некоторой критической  величине, мировое пространство  оказывается евклидовым и Вселенная  неограниченно расширяется от  первоначального точечного состояния.  Если плотность меньше критической,  пространство обладает геометрией  Лобачевского и так же неограниченно  расширяется. И, наконец, если  плотность больше критической,  пространство Вселенной оказывается  римановым, расширение на некотором  этапе сменяется сжатием, которое  продолжается вплоть до первоначального  точечного состояния. По современным  данным, средняя плотность материи  во Вселенной меньше критической,  так что более вероятной считается  модель Лобачевского, т. е. пространственно  бесконечная расширяющаяся Вселенная.  Не исключено, что некоторые  виды материи, которые имеют  большое значение для величины  средней плотности, пока остаются  неучтенными. В связи с этим  делать окончательные выводы  о конечности или бесконечности  Вселенной пока преждевременно.

 Расширение Вселенной  считается научно установленным  фактом. Первым к поискам данных  о движении спиральных галактик  обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.

 В 1929 г. американский  астроном Э. П. Хаббл обнаружил  существование странной зависимости  между расстоянием и скоростью  галактик: все галактики движутся  от нас, причем со скоростью,  которая возрастает пропорционально  расстоянию,— система галактик  расширяется. 

 Но то, что в настоящее  время Вселенная расширяется,  еще не позволяет однозначно  решить вопрос в пользу той  или иной модели [3].

3. Основные этап космической эволюции

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических  моделей, очевидно, что наша Вселенная  расширяется, эволюционирует. Время  ее эволюции от первоначального состояния  оценивается приблизительно в 20 млрд лет.

 Возможно, более подходящей  является аналогия не с элементарной  частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке выдвинут так называемый антропный принцип в космологии. Суть его заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.

 От первоначального  сингулярного состояния Вселенная  перешла к расширению в результате  Большого взрыва, заполнившего все  пространство. В итоге каждая  частица материи устремилась  прочь от любой другой.

 Всего лишь через  одну сотую секунды после взрыва  Вселенная имела температуру  порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной — в     4 000 млн paз больше, чем у воды.

В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино [4].

 Поскольку третья научная  картина мира рассматривает Вселенную  как результат глобальной мировой  эволюции, то важной задачей нынешней  науки является установление  механизма или движущих сил  этой эволюции. Почему в мире  все развивалось по восходящей  линии, шло путем прогресса,  постепенно поднимаясь от более  простого и менее совершенного  к более сложному и более совершенному? К тому же существуют убедительные научные аргументы в пользу того, что развитие должно идти по нисходящей, Вселенная должна не совершенствоваться, а деградировать, то есть переходить ко все более простому, а в итоге — к простейшему состоянию. Эти аргументы вытекают из такой дисциплины как термодинамика (от греч. thermos — теплый и dynamis — сила). Она представляет собой науку о различных тепловых явлениях, о переходах и превращениях тепла. В термодинамике есть два начала или закона. Первый из них звучит так: теплота может как угодно переходить от любого тела к любому другому телу, лишь бы общее ее количество оставалось неизменным. Проще говоря, если где-то теплоты добавилось (одно тело, например, нагрелось на сколько-то градусов), то где-то ее должно в таком же количестве убавиться (другое тело остыло ровно на столько градусов, насколько первое нагрелось). Это первое начало термодинамики называют также законом сохранения и превращения энергии. Итак, в силу первого начала, теплота может переходить от тела к телу в любом направлении. Однако второе начало термодинамики является ограничением первого, и говорит, что переход тепла возможен не в любом, но только в одном направлении. Приведем простой пример. Допустим, перед нами находятся два тела, между которыми происходит теплообмен. Одно из них имеет температуру 100°С, а другое — 50°С. Возможно ли, чтобы второе тело отдало первому 25°С своей теплоты и остыло бы на эти 25° для того, чтобы второе на эту же величину нагрелось, то есть, чтобы первое стало иметь температуру 125°С, а второе — 25°С? Возможно ли, чтобы теплота самопроизвольно переходила от менее нагретого тела к более нагретому? Первый закон термодинамики такой переход не запрещает, лишь бы количество теплоты (энергии) сохранялось в прежнем объеме. Второе начало термодинамики говорит о невозможности этого перехода и звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Все происходит наоборот: теплота всегда переходит только в одном направлении — от более горячего тела к менее горячему. В нашем примере первое тело непременно должно остыть на 25°С, а второе нагреться на эту же величину, после чего и у первого тела, и у второго будет одинаковая температура (по 75°С). Как видим, теплота стремится к равномерному распределению между телами, стремится к равновесию.

Из этой закономерности вытекает следующий печальный вывод. Если говорить о Вселенной в целом, то вся ее теплота (энергия) с течением времени должна будет равномерно распределиться между всеми ее частями. Стремление к тепловому равновесию называется возрастанием энтропии. Максимальная энтропия представляет собой хаос. Это значит, что макротела рассыплются  на молекулы, молекулы — на атомы, а  атомы — на элементарные частицы, которые будут хаотично носиться в мировом пространстве. Наступление  теплового равновесия во Вселенной  будет означать ее превращение в  хаос или «тепловую смерть Вселенной». Для пояснения приведем пример.

Человеческое тело, как  правило, теплее окружающей среды. Если установится тепловое равновесие между  телом и средой (например, температура  и среды, и тела равна +20°С), то это  будет означать смерть тела. Так  и тепловое равновесие во Вселенной равносильно ее смерти. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по законам термодинамики, должна возвратиться.

Однако возникает закономерный вопрос: если Вселенная движется к  хаосу, то каким образом она могла  не только возникнуть, но и развиться  до нынешнего сложного и упорядоченного состояния. Более того, мы наблюдаем  дальнейшее усовершенствование мира: постоянно происходит увеличение его  сложности, дальнейшая восходящая эволюция. Получается, что Вселенная вопреки  прогнозам термодинамики стремится  прочь от теплового равновесия и  хаоса. Почему? Древние сказали бы, что существует некая разумная, бестелесная  сила (Бог или Мировой Разум), которая  не позволяет Вселенной рассыпаться  в прах и постоянно поддерживает ее в состоянии гармонии и совершенства.

Современная наука говорит, что материя обладает не только разрушительными  свойствами, но и созидательными, что  она — не пассивное начало мира, способное только к распаду, но, скорее, активное, способное осуществлять работу и против термодинамического равновесия, могущее самоорганизовываться и самоусложняться. В нынешнем столетии появилась уже упоминавшаяся научная дисциплина — синергетика (от греч. synergos — совместно действующий), которая изучает механизмы и законы самоорганизации различных материальных объектов и систем. Иначе говоря, синергетика пытается ответить на вопрос о том, как из хаоса рождается порядок. В качестве примера синергетического эффекта можно вспомнить замысловатую и необыкновенно красивую форму снежинки, которая представляет собой не что иное, как замерзшую каплю воды. Эта капля может быть охарактеризована в качестве хаоса: в ней происходит беспорядочное движение молекул. Однако при замерзании и превращении в ледяной кристаллик — снежинку — из данного хаоса частичек воды рождается упорядоченная структура, удивляющая нас безупречной правильностью своей формы (когда мы разглядываем снежинку, нам представляется, что она создана в соответствии с какой-то геометрической идеей или художественным замыслом; самым невероятным и удивительным в этом случае нам кажется то, что это всего лишь замерзшая капля воды). Современное естествознание описывает все большее количество явлений природы с помощью синергетической интерпретации. Вселенная в целом также поддается подобного рода объяснению.