1. Эволюция астрономических объектов

1. Эволюция астрономических объектов

Астрономия была одной из тех наук о природе, которые в период возникновения диалектического материализма подтвердили его выводы о характере развития природы во времени. В связи с этим Ф. Энгельс отмечал, что после появления космогонической гипотезы Канта «Земля и вся солнечная система предстали как нечто ставшее во времени» и начало зарождаться понимание того, что «природа не просто существует, а находится в процессе становления и исчезновения»[93]. Однако показать диалектику развития астрономических объектов во Вселенной даже в астрономии XX в. — задача не из легких: многие особенности в развитии объектов во Вселенной еще не выяснены наукой.

Вместе с тем наблюдательная и теоретическая астрономия XX в. уже располагают обширным материалом, относящимся к образованию, структуре и эволюции отдельных ее объектов; опираясь на диалектику, можно вскрыть некоторые основные черты, моменты, заметить тенденции и определенные закономерности в образовании и эволюции планетной системы, а также в возникновении и развитии галактик.

В процессе астрономического познания человек никогда не имеет дела со всей бесконечной Вселенной, а лишь с более или менее ограниченной ее частью — астрономическим объектом (объектами). Материальный объект здесь является «клеточкой», исходным пунктом астрономического и философского исследования. Философия исследует астрономические объекты в их развитии с целью выделения в них универсальных характеристик, в то время как астрономия рассматривает с точки зрения особенного содержания, их специфических черт. В этом состоит объективная основа взаимосвязи философии и астрономии, хотя конкретный механизм их взаимодействия нуждается в дальнейшем анализе.

Раскрытие законов развития астрономических объектов представляет собой главную трудность этой науки. Современная астрономия рассматривает свои объекты не только в их стационарном, но и в нестационарном состояниях, в развитии. Поэтому, рассматривая эволюцию материи, необходимо анализировать как законы функционирования, так и законы развития. Законы строения и функционирования позволяют отражать моменты покоя и устойчивости в движении астрономических объектов, а законы развития выражают изменчивость их, необратимость, направленность происходящих в космосе изменений.

Принцип развития в астрономии мы рассмотрим в двух планах: а) в плане диалектики развития астрономических объектов и б) в плане диалектики развития астрономического знания. Каждой стадии развития объектов соответствует своя теория, а последовательности усложняющихся объектов (звезды и их системы — галактики и их системы) соответствует последовательность усложняющихся теорий, развитию астрономических объектов соответствует развитие астрономического знания. Но вследствие относительной самостоятельности развития познания и знания (они обусловлены предыдущим знанием, а также уровнем развития практики соответствующей эпохи, характером деятельности отдельных исследователей) астрономическое знание развивалось не всегда соответственно этапам развития астрономических объектов.

С XVI по начало XX в. ученые изучали местонахождение и происхождение звезд, в том числе и Солнца, оперируя масштабами расстояний в миллиарды световых лет. Они наблюдали космос далеко за пределами орбит планет и обнаружили множество звезд и галактик, сосредоточенных во Вселенной. Новые открытия в современной астрономии дополнили эту картину представлениями о взрывающихся галактиках и квазарах, черных и белых «дырах» эволюционирующей Вселенной.

Прежняя упорядоченная Вселенная, представлявшаяся древним и средневековым наблюдателям планетной системой, в центре которой находится Земля, а в послекоперниковский период — Солнце, превратилась в полный динамизма мир различных эволюционных процессов, а также продуктов дезинтеграции и распада больших космических систем. Современную астрономию интересует в первую очередь эволюция окружающего нас мира — от Вселенной в целом до отдельных звезд, которые входят в состав еще более крупных образований — галактик, образующих скопления. В 80-е годы XX в. все более отчетливо стали вырисовываться две концепции — «горячей» и «холодной» Вселенной. В первой развитие Вселенной связывается со взрывами, очень высокими температурами, космическими лучами больших энергий, необычными турбулентными взрывчатыми лавами в галактиках, новыми типами горячих (молодых) галактик. Основные достижения в астрономии XX в. связаны с теорией «горячей» Вселенной.

Рассмотрение диалектики становления Вселенной, вопроса об основных стадиях развивающихся астрономических объектов необходимо начать с исследования наиболее общего космологического объекта — Вселенной в целом, поскольку эволюция и звезд и галактик определяется в конечном счете эволюцией Вселенной. Астрофизики наблюдаемую с помощью приборов область Вселенной называют метагалактикой, а физики — мегамиром, подчеркивая тем самым ее качественное отличие от тех областей природы, которые изучаются различными разделами современной физики, от макро- и микромира[94]. Нестационарность метагалактики, ее расширение свидетельствует об определенной эволюции наблюдаемой области Вселенной.

Результаты исследования метагалактики, ее пространственно-временных (хроногеометрических) и причинностных (импульсно-энергетических) аспектов в рамках однородной модели Вселенной показывают:

1. Космическая материя в пространстве метагалактики распределена по различным структурным образованиям: звездам, галактикам и скоплениям галактик — «сверхгалактикам».

2. В больших масштабах плотность галактик и сверхгалактик, а следовательно, усредненная по всему объему метагалактики плотность вещества везде одинакова: метагалактика в среднем однородна.

3. Метагалактика не только однородна, но и изотропна, т. е. свойства ее объектов не зависят от направления в пространстве. На это указывает однородность реликтового излучения.

4. Метагалактика нестационарна: скопления галактик «разбегаются». При этом скорости «разбегания» пропорциональны расстояниям между галактиками, и это соотношение носит линейный характер (закон Хаббла).

5. «Искривленный» характер пространственно-временной структуры метагалактики выявляется не только в отдельных частях вблизи тяготеющих масс звезд или галактик (локальные искривления), но и в глобальном масштабе мегамира.

6. В далеком прошлом метагалактика представляла собой образование огромной плотности и в результате «большого взрыва» разогрелась до очень высокой температуры (сингулярность). В этом, в частности, убеждает реликтовое излучение, представляющее собой остаток от очень «горячей» и мощной радиации, характерной для метагалактики на начальных этапах ее возникновения и эволюции.

Причины расширения наблюдаемой части Вселенной не выяснены. Существует мнение, что раз в современной метагалактике отсутствуют значительные концентрации массы материи в каком-нибудь выделенном участке, то метагалактика в целом находится в настоящее время в состоянии инерционного расширения[95].

Исходя из этой концепции, а также опираясь на диалектический принцип развития в исследованиях проблем астрономии, можно теоретически выделить несколько последовательных стадий развития Вселенной: а) досингулярная Вселенная; б) сингулярная Вселенная; в) расширяющаяся или сжимающаяся Вселенная; г) коллапсирующая Вселенная.

Конкретное изучение определенных стадий в эволюции Вселенной ведется в релятивистской космологии, общей теории относительности, в различных вариантах и подходах ныне создающейся квантовой теории гравитации и квантовой космологии. Достаточно полный учет разнообразных астрофизических процессов, протекающих на всех стадиях развития Вселенной, возможен в так называемой квантово-релятивистской космологии, основные принципы и физико-математический аппарат которой создаются в настоящее время[96].

Выяснение прошлого Вселенной не на каком-то отрезке времени, а в целом составляет «вопрос вопросов» современной космологии и внегалактической астрономии[97]. Выявление эвристического значения важнейшего принципа диалектики — принципа развития позволяет в наиболее полном виде понять диалектику эволюции астрономических объектов. Разработка с помощью общей теории относительности концепции расширяющейся, эволюционирующей Вселенной Фридмана — Леметра еще раз показала действенность этого принципа.

Первой космологической моделью, которая возникла в рамках общей теории относительности, была стационарная модель Вселенной, разработанная в 1917 г. А. Эйнштейном. В этой модели метрика пространства-времени рассматривалась как не зависящая от времени, и теория не учитывала эволюцию материи. В 1922 г. советский физик А. Фридман предложил нестационарную модель, в которой метрика пространства-времени изменялась. Так возникла теория нестационарной вселенной, которая была подтверждена экспериментально американским астрономом Хабблом. В 1929 г. он открыл явление «красного смещения», которое означало, что скорость движения удаленных галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Согласно теории расширяющейся однородной модели, на первых этапах после «большого взрыва» в развитии Вселенной образовались атомы легких элементов (водород и гелий), затем — звезды и галактики с атомами более тяжелых элементов, планетные системы и, наконец, на некоторых из них создались условия для возникновения живых организмов. Число таких сверхплотных участков (особых точек) в эволюции Вселенной может быть бесконечно велико. В этом случае периоды ее расширения от некоторого сверхплотного вещества (протоатома) сменяются периодами сжатия («красное смещение» сменяется «фиолетовым») — так возникает пульсирующая модель Вселенной.

Что касается вопроса о том, конечна или бесконечна Вселенная, то в рамках теории А. А. Фридмана возможны два варианта его решения: а) открытая модель с отрицательной кривизной и б) закрытая модель с положительное кривизной. Причем выбор между открытой и закрытой моделью в рамках космологии в принципе можно сделать на основе учета средней плотности вещества и полей во Вселенной. Если средняя плотность окажется больше некоторой критической плотности Р_кр, то реализуется закрытая (пульсирующая) модель Вселенной. При средней плотности материи меньше критической получается открытая модель Вселенной (расширяющаяся Вселенная). Существуют различные оценки средней плотности материи. По данным Оорта, она в 30 раз меньше критической, согласно данным Я. Б. Зельдовича с учетом нейтрино и квантов, средняя плотность Р_ср = (0,2–0,1) Р_кр, т. е. в 10–20 раз ниже критической. Однако эти данные также нельзя считать окончательными, поскольку горизонты астрономических наблюдений постоянно расширяются.

В последнее время А. Л. Зельманов разрабатывает теорию анизотропной (неоднородной) Вселенной[98]. В ней Вселенная рассматривается как имеющая абсолютное вращение. При подобном подходе модель Вселенной не имеет единого пространства-времени, и в разных точках этой системы темп времени различный. Не существует в подобной системе и единой одновременности. Впрочем, ее не существует и на Земле — как вращающейся системе, но неопределенность одновременности в земных условиях составляет всего одну пятимиллионную долю секунды, и ею можно пренебречь. В условиях же космологических масштабов эта неопределенность достигает многих лет.

Таким образом, классификацию основных современных космологических моделей Вселенной можно представить в следующем виде:

Модели Вселенной:

1) нестационарные 2) стационарные

1а) однородные 1б) неоднородные

1а1) открытые 1а2) закрытые

Стационарная модель Вселенной не может считаться адекватной космологической моделью. Таковыми могут быть лишь различные варианты нестационарных моделей, рассматривающие Вселенную как эволюционирующую. В этих моделях реализуется диалектический принцип развития.

С представлением об эволюции Вселенной тесно связан вопрос о происхождении и развитии галактик. Согласно общим космогоническим гипотезам — так называемой классической (небулярной) и неклассической (бюраканской), образование галактик возможно двумя различными путями: а) путем расширения, дезинтеграции и распада некоторого первоначального сверхплотного тела (некоего нестационарного астрономического объекта — протогалактики, обладающей собственной активностью); б) путем сжатия первоначально однородной и разреженной протогалактики. Первую концепцию разрабатывает В. А. Амбарцумян[99], вторую — Дж. Джине[100].

Согласно первой гипотезе, галактики образуются из сверхплотных тел неизвестной природы путем их расширения. Согласно второй гипотезе, вещество протогалактики (в общем случае — протовселенной, или протомета-галактики) вначале принимает участие в общем космологическом расширении Вселенной, но после достижения метагалактикой некоторого максимального расширения начинает сжиматься под действием гравитации. Физическая эволюция галактик, а также вопросы об эволюции галактик с химической и динамической точек зрения в настоящее время усиленно изучаются[101].

Классификацию галактик в разное время предлагали многие астрофизики. Так, согласно Э. Хабблу, галактики делятся на спиральные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). В указанной последовательности представляется и путь эволюции галактик. Когда господствовала концепция «холодной» Вселенной, астрономы, исследуя строение галактик, часто ограничивались их классификацией на основе лишь внешних морфологических особенностей и почти не обращали внимания на строение центральных областей галактик. В настоящее время высказывается точка зрения о том, что фундаментальную роль в эволюции галактик играют их ядра. Эта концепция опирается на следующие данные: 1) отождествление одного из мощных радиоисточников Лебедь А со слабой галактикой, имеющей два ядра; 2) двойственную структуру и у радиоисточника Персей А; 3) голубые спутники у эллиптических галактик, связанные с их ядрами тонкими струями[102]; 4) истечение вещества из центра нашей Галактики; 5) открытие сейфертовских галактик, в ядрах которых обнаружены турбулентные движения газовых облаков с огромными скоростями.

Дальнейшее изучение распределения галактик показало, что тенденция к группированию выражена у них намного сильнее. В частности, наша Галактика (со своими спутниками — Магеллановыми облаками) вместе с туманностью Андромеды и ее четырьмя спутниками и рядом карликовых галактик входит в местную систему галактик, содержащую почти все типы галактик по классификации Хаббла.

Говоря о двух космогонических концепциях — классической и бюраканской, необходимо отметить, что с философской точки зрения обе они связаны с идеей конечности развития космической материи, с представлением об одностороннем пути ее развития. Источник дозвездной материи должен быть либо конечным, а следовательно, исчерпаемым, либо — бесконечным, что являлось бы «дурной» бесконечностью.

Следовательно, основное противоречие современной космогонической теории заключается в том, что в ней учитываются два противоположных момента в развитии материи: концентрация и рассеивание вещества во Вселенной. Эти противоположные моменты учитываются в двух различных концепциях. Взятые отдельно, абстрактно, они отражают одну из сторон развития материи, а вместе — процесс развития космической материи в целом, в его конкретности. Синтез этих концепций возможен лишь в рамках релятивистской картины мира и при создании релятивистской космогонии. Попытку синтезировать эти концепции предпринял К. X. Рахматуллин, выдвинувший гипотезу о двусторонней генетической связи между сверхплотным и диффузным веществом[103].

Основы такого рода фундаментальной теории, в полном объеме отражающей противоречие движущейся материи, в настоящее время уже разрабатываются. Основная идея ее состоит в том, что исключение сингулярностей из теории, требуемое первой концепцией, должно означать тем самым создание модели сверхплотного тела, необходимой для бюраканской концепции[104].

Итак, происходит коренная ломка астрономических представлений, которые в целом имеют громадное мировоззренческое значение. И можно согласиться с мнением В. А. Амбарцумяна и В. В. Казютинского, предполагающих, что революция в современной астрономии в конечном счете, возможно, «не уступит великому коперниканскому перевороту»[105].

Рассмотрим теперь вопрос о происхождении и развитии звезд и планетарных систем. Современное состояние исследования системы планет основано на выявлении общих закономерностей их движения, закона планетных расстояний, особенностей распределения момента количества движения между планетами и Солнцем.

Как целостное образование. Солнце не является изолированным астрономическим объектом, а образует сложную систему. В нее входят 9 больших планет с 32 спутниками, около 1700 малых планет (астероидов), 10¹¹ — 10¹² комет, метеорная материя, межзвездный газ, космическая пыль и различные физические поля.

Среди проблем эволюции планет необходимо выделить следующие: 1) химической конденсации вещества в околосолнечной туманности; 2) аккумуляции твердого вещества вследствие гравитационной неустойчивости и 3) динамики «слипания» вещества в планету. Строго определенные закономерности в распределении планет приводят к выводу, что вся планетная система образовалась, по-видимому, в результате какого-то единого и мощного эволюционного процесса, который привел к современному состоянию планетных объектов[106]. В целом космогония планет определяется космогонией Солнечной системы, а последняя — единым процессом формирования и развития звезд и галактик.

Наиболее известные концепции (космогонические гипотезы) происхождения и развития Солнечной системы, главными элементами которой являются планеты, можно разделить на два типа: 1) классические (небулярные) концепции и их современные модификации; 2) «наблюдательная» (или бюраканская) концепция.

К классическим относятся известные небулярные гипотезы и концепции Р. Декарта (1637), И. Канта (1755), П. Лапласа (1796). Согласно им, Солнечная планетная система образовалась из газовой туманности в результате превращения космического газа и пыли в твердые массивные небесные тела. Наиболее известной из современных небулярных эволюционных концепций является гипотеза Вейцзеккера (1943–1947). В дальнейшем она была видоизменена Г. Гамовым, Э. Эпиком, Тер-Хааром и Дж. Койпером (1949), Ф. Уипплом (1948), а также Я. Оортом, М. Шварцшильдом и Л. Спицером. В СССР ее развивали О. Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, Б. А. Воронцов-Вельяминов и др.

В 1942–1946 гг. выдвигались идеи, основанные на электромагнитной концепции образования космических систем (К. Биркеланд, Г. Берлаге, X. Альфвен, Ф. Хойл). «Катастрофические» концепции возникновения планетной системы (Дж. Джине, Г. Джеффрис, В. Литтлтон) основаны на теории встречных взаимосвязей звезд с Солнцем в результате захвата, поглощения материи массивным небесным телом из окружающего пространства.

Неклассическая (бюраканская) концепция объясняет происхождение и развитие объектов во Вселенной как результат взрывных процессов. Основным ее положением является идея о том, что звезды (а в их системе и планеты) и галактики образовались из распадающегося сверхплотного тела[107].

В основу планетарной и звездной космогонии в ней положена концепция протозвезд: звезды возникают группами путем распада некоторых сверхплотных тел. Проблема заключается в конкретном поиске того материала, из которого формируются звезды, а затем планеты. Согласно концепции протозвезд, планеты образуются в ходе процесса звездообразования. Идея о том, что вещество планет — это звездное вещество, еще сохраняющее запасы и источники звездной энергии, должна быть подтверждена наблюдательными данными. В таком случае фаза планет может оказаться фазой распада и дезинтеграции звездного вещества. Эволюцию его необходимо рассматривать как нестационарность объектов, проходящих ряд этапов развития: 1) протозвезды, т. е. космические объекты, из которых в дальнейшем образуются звезды; 2) сами звезды; 3) постзвезды, т. е. конечные продукты эволюции звезд.

Образование протозвезды может быть объяснено с помощью классической или бюраканской космогонической теории. Каков будет «исход» жизни звезды, зависит главным образом от ее массы, которой она обладает на том этапе, когда ядерное горючее почти выгорело и звезда сбросила свою оболочку. В результате она переходит в свою противоположность — постзвезду. Если звезда на этом предконечном этапе имеет массу меньшую, чем 1,2 солнечной массы, то она превращается в «белый карлик». При массе от 1,2 до 2 солнечных масс образуется нейтронная звезда. При еще большей массе возникает «черная дыра». Таким образом, в эволюции звездного объекта обнаруживается своеобразная цикличность. Ветвь «протозвезда — звезда» является восходящей линией развития, поскольку она связана с усложнением структуры материи, ветвь же «звезда — постзвезда» образует нисходящую ветвь.

Каковы же основные источники развития астрономических объектов? Как известно, источником развития любого материального объекта являются диалектические противоречия[108]; в познании этих противоречий, их составных частей есть суть диалектики[109]. Поэтому при рассмотрении проблемы развития в современной астрономии необходимо выделить эти противоречивые стороны и проанализировать основные противоречия, определяющие развитие мегаматерии на различных уровнях ее организации. Наиболее общим будет уровень Вселенной в целом, следующим будет уровень метагалактики, затем уровень галактик, потом уровень звезд и, наконец, уровень планет.

На каждом из этих уровней существуют свои противоречия, стороны, свои источники развития. Образование планет, и в частности Земли, вызвано распадом газопылевого облака на отдельные туманности. При сжатии туманности ее твердые частицы опускаются к центральной плоскости. Появляющийся пылевой слой оказывается неустойчивым и распадается на сгустки, которые объединяются и сжимаются, образуя тела в десятки километров в диаметре. Они притягивают друг друга, сталкиваются и образуют планеты. На уровне звезд основным противоречием, определяющим их развитие, является притяжение и отталкивание. Это диалектическое противоречие отражается основными космогоническими теориями. Анализ возникновения, функционирования и распада звезд показывает, что существует определенная взаимосвязь между звездами и окружающими их галактиками. В последнее время было установлено, что ядра галактик являются центрами динамической активности и из них происходит мощное истечение вещества, которое приводит к образованию звездных систем. В свою очередь наиболее мощные метагалактики порождают небольшие галактики путем эволюции космической материи[110]. Развитие метагалактик определяется эволюцией и движением Вселенной в целом. Развитие звезд влияет на развитие галактик, а последние — на эволюцию метагалактик. Таким образом, существует определенная взаимосвязь различных уровней организации мегаматерии.

Для развития любой материальной системы по «восходящей» линии (прогрессивная стадия развития) необходим приток энергии извне. По отношению к космогоническим объектам приток ее, необходимый для прогрессивного развития систем меньшей степени общности, возможен за счет более общей системы. Так, прогрессивное развитие звезд связано с притоком энергии из галактик, а эволюция галактик — за счет энергии метагалактик.

Кроме внутренних противоречий значительное место занимают внешние противоречия между космогоническими объектами различной степени общности. При этом данные противоречия являются внешними лишь по отношению к системам меньшей степени общности, но по отношению к более широким космогоническим системам они становятся внутренними. В связи с этим можно указать и на более конкретный критерий, определяющий развитие метасистемы по прогрессивной и регрессивной линиям. Если взять максимальное значение энтропии для определенной метасистемы Smax, (звезды, галактики, метагалактики), подчиняющейся законам термодинамики, вычесть из него энтропию в каждый конкретный момент времени t (Smax — So) и рассмотреть полученный остаток, то при возрастании разности энтропии с течением времени наблюдается прогрессивное развитие, при уменьшении — ее развитие идет по регрессивной линии.

Как видно, звезды, галактики и метагалактики в процессе своего развития проходят стадии прогрессивного и регрессивного развития. Существуют некоторые критерии, позволяющие отделять эти стадии. Более сложное положение складывается с понятием Вселенной в целом. Дело в том, что для определения различных этапов ее развития необходимо единое пространство-время (для сравнения этих этапов). Но если даже исходить из концепции однородной нестационарной Вселенной, то возникают сомнения в возможности единого времени, поскольку расширение ее происходит в таком замедленном темпе, что, пока взаимодействие будет распространяться из одного конца Вселенной в другой вследствие конечности скорости его распространения, пройдет несколько миллиардов лет. Поэтому очень трудно рассматривать эту систему с единым пространством-временем.

При допущении неоднородной анизотропной модели Вселенной введение единого пространства-времени вообще невозможно. В силу этого применение категорий развития к Вселенной в целом связано с определенной спецификой. В любой момент времени в ней происходит прогрессивное развитие ее элементов, и в этом смысле оно является атрибутом материи.