Текст книги "Как устроена Вселенная"

Брайан Хейбл
Как устроена Вселенная

Глава 1. Что мы знаем о нашей Вселенной?

1.1. Общие сведения о Солнечной системе и о месте планеты Земля в ней

Наша Вселенная – такая необъятная, неизведанная и прекрасная. Что мы знаем о ней? Да в сущности, практически ничего. Все наши исследования и убеждения – всего лишь предположения, возможно, мы видим лишь оболочку, доступную нашему глазу, а на самом деле, всё совершенно иначе?

В школе нас учат тому, что Земля вращается вокруг Солнца, как и остальные восемь планет, однако даже наша Солнечная система устроена намного сложнее. Поэтому, пожалуй, стоит начать с самого начала – с места нашей родной планеты в необъятной Вселенной.

Земля вращается не только вокруг Солнца, из-за чего сменяются времена года, но и вокруг своей оси, сменяя день ночью. Но даже в этой прописной истине не всё так просто: Земля вращается вокруг Солнца не ровно 365 дней, а 365 суток, 25 минут и 9 секунд. И этот остаток – 25 минут и 9 секунд – стал причиной введения високосного года, поскольку за четыре года этотостаток образует целые сутки – так появилось 29 февраля.

Интересный факт: многие народы когда-то использовали лунный календарь, так в месяце было 28 дней, а самих месяцев было ровно 13. Ориентироваться по луне было весьма удобно: возрастающая луна – начало месяца, полнолуние – середина месяца, а убывание – конец месяца. Но позже от этого отказались, поскольку число 13 укоренилось в фольклоре как несчастливое, а затем христианство и вовсе наложило черную печать на него, поскольку это число обозначало количество чертей в каждом кругу ада, отсюда и пошло выражение «чертова дюжина».

Так же лунный календарь, несмотря на свое якобы очевидное удобство, (ведь месяц длился ровно 4 недели) имел свой недостаток: год был равен только 364 дням, так накапливалось еще больше лишнего времени. В итоге получается, что за 34 года лунного календаря накапливается один лишний год. Сначала календарь продлили до 29 (короткий месяц) и 30 дней (длинный месяц), но позже и вовсе отказались от этой идеи.

Итак, возвращаясь к основной теме, Земля – самая тяжелая по массе и плотности планета так называемой земной группы, в которую входят, кроме Земли, Меркурий, Венера и Марс. Их также называют внутренними планетами, поскольку с одной стороны располагается гигант Солнце, а с другой окружены газовыми планетами-гигантами: Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.

Также Земля вращается по прецессионной оси. Слово «прецессия» звучит страшно, но на самом деле это простейшее физическое явление, которое мы довольно часто наблюдаем в быту. Например, если запустить волчок, то сначала он крутится идеально ровно, а со временем начинает замедляться, раскачиваясь из стороны в сторону, и движется по спирали. Это явление и называется прецессия.

Поскольку в космосе действуют другие законы тяготения, прецессия Земли зависит от притяжения Солнца и Луны, которые раскачивают ее ось. Касательно нашей планеты это физическое явление называют по-другому – «предварение равноденствий». Оно именуется так потому, что из-за него весеннее равноденствие каждый год начинается немного раньше. К тому же прецессия – это одна из причин того, что климат на Земле со временем меняется, по этой же причине созвездия смещаются. По прогнозам ученых, через полторы тысячи лет созвездие Ориона сместится настолько сильно, что с Северного полушария его уже будет не видать, а через 6 тысяч лет одно из самых узнаваемых созвездий – Большая медведица – будет освещать ночью южное полушарие Земли.

Представьте себе: Земля движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду! Именно поэтому ей удается преодолеть расстояние в 150 миллионов километров всего за один год. К тому же Земля движется по эллиптической кривой, так же, как и все планеты. Ни одна известная планета не описывает идеальный круг относительно своей Звезды.

Все планеты нашей Солнечной системы особенные, не похожи на другие. Они формировались в разное время и в разных условиях. Сначала посмотрим на структуру нашей системы в общем, затем перейдем к частному.

Солнце – центр тяжести, который объединяет вокруг себя множество небесных тел: большие планеты и их спутники, астероиды, карликовые планеты, кометы и космические туманности. 75 процентов нашей звезды состоит из водорода, еще 7 из гелия, а 22 – из множества различных элементов, таких как железо, никель, азот, кремний, кислород, неон – именно они делают Солнце таким, какое оно есть сейчас.

По астрономической спектральной классификации звезд Солнце относится к типу «желтый карлик» – небольшая звезда, основным источником энергии которой является термоядерный синтез водорода и гелия. Именно этот синтез и дает желтый цвет.

Солнце сформировалось, по подсчетам ученых, примерно четыре с половиной миллиарда лет назад, после чего за несколько миллионов лет образовалась Солнечная система в своем первоначальном виде.

Первая планета – Меркурий, самая маленькая среди основных планет Солнечной системы. Названная в честь римского бога торговли, она находится так близко к нашей Звезде, что один круг Меркурия вокруг Солнца занимает всего 88 земных суток. Традиционно считается, что Меркурий – синяя планета, однако последние снимки с неискаженным, насколько возможно, изображением показывают, что ранние фотографии не отображали цветовую гамму и показывали планету сине-серой, а на самом деле она весьма пёстрая, с желтыми и голубыми пятнами, а также на ней очень много кратеров. Почти всю массу и объем планеты составляет жидкое железное ядро, покрытое каменными породами. Жизнь на Меркурии невозможна, поскольку температура на поверхности планеты колеблется от +430 до -180 градусов по Цельсию, а также там совершенно нет воды.

Венера – вторая планета от Солнца, не менее интересна. Люди наблюдают ее с начала веков. Эта планета единственная была названа в честь бога женского пола из всех основных планет Солнечной системы. Также Венеру называют «Утренней зарей», поскольку она часто появляется утром на небосводе (в северном полушарии летом) и, отражая свет Солнца, сияет как Звезда. Однако она более заметна, поскольку находится достаточно близко к Земле. Несмотря на привычное толкование Венеры как желто-оранжевой планеты, на самом деле такой цвет создается отражением Солнца от ее поверхности, а сама она перламутрово-серая из-за плотных туч, заполнивших всю атмосферу.

На этой планете совершенно нет воды, она состоит из жидких металлов, которые держит очень сильное атмосферное давление, превышающее земное в 92 раза. Также интересно и то, что Венера вращается вокруг своей оси с востока на запад, хотя другие планеты вращаются с запада на восток. Одни сутки на Утренней заре равны 172 земным суткам, а один оборот по почти идеально круглой орбите равен 220 земным суткам. Средняя температура на Венере примерно +475 градусов по Цельсию – это больше, чем на Меркурии, несмотря на то, что он находится ближе к Солнцу.

А вот на Марсе не так жарко. Воинственная красная планета, которую, как и Венеру, мы можем наблюдать на земном небосводе, всегда была предметом исследований, легенд, а позже и описывалась в художественной литературе. Планета не намного больше Меркурия и также состоит в основном из каменных пород, разбавленных металлом (в основном железом). На Марсе очень холодно не только из-за удаленности от Солнца, но также из-за остывшего ядра. Средняя температура -50 градусов по Цельсию, однако на экваторе днем примерно +20. Атмосфера очень слабая и состоит в основном из углекислого газа, а время вращения вокруг своей оси – чуть больше земных суток (24 часа и 39 минут). По орбите Марс движется 668 марсианских суток. Поскольку на Марсе есть вода в форме ледников, многих ученых и любителей интересует вопрос: «Есть ли жизнь на Марсе?». Множество преданий гласило о «Богах с красной планеты», многие любители и некоторые профессионалы предполагают, если раньше ядро было горячим, жизнь на планете вполне могла существовать. Также при исследованиях были выдвинуты предположения, что атмосфера на Марсе была ранее более плотной и там даже шли дожди.

Затем, между Марсом и Юпитером, находится Пояс астероидов. Есть две главные версии его происхождения, официальная и альтернативная, однако обе они достаточно правдоподобны. Первая версия – сила притяжения Юпитера настолько велика, что он за миллиарды лет собрал множество космического материала, среди которого были его спутники, а также астероиды и космическая пыль. Что большинство из них, постоянно сталкиваясь, вышли на собственную орбиту, используя магнетизм Солнца и Юпитера, который не позволяет астероидам разлететься по космосу.

Вторая версия появления Пояса астероидов гласит, что когда– то между Марсом и Юпитером была еще одна планета, названная по традиции в честь греческого божества – Фаэтон. Также она имеет второе название – планета Ольберса, в честь ученого, который открыл множество объектов Пояса астероидов, таких как Церера, Веста, Паллада и Гигея (они являются самыми большими астероидами в системе и сначала считались полноценными планетами). Предполагается, что планета Фаэтон разрушилась под влиянием магнитного поля Юпитера и образовала Пояс астероидов. В пользу этой версии говорит то, что у Пояса собственная орбита, и он находится как раз на том месте, где должна быть планета, согласно системе Тициуса-Боде, которая заключается в том, что все планеты расположены в определенной геометрической прогрессии. В нее идеально вписывается вся Солнечная система, кроме Пояса астероидов.

Сейчас вторая версия считается несостоятельной по нескольким причинам, главная из которых состоит в следующем: суммарная масса всех астероидов составляет лишь 4 процента массы Луны, то есть на полноценную планету такой объем не тянет. Но на на смену этой версии идет другая набирающая популярность теория: планета начала образовываться, однако из-за огромного влияния Юпитера развалилась еще на начальной стадии. Из этого получается, что Фаэтон – не более, чем протопланета, то есть планета, которая не сформировалась окончательно и состоит из одного ядра.

Юпитер – самая большая планета в Солнечной системе. Классифицируется как газовый гигант, который собрал вокруг себя 67 спутников, самые известные из которых: Европа, Ио, Ганимед, Каллисто. Большая часть Юпитера (82 процента) состоит из водорода и дополняется гелием, метаном и аммонием, однако в составе есть и вода, но ее очень мало, меньше процента. Юпитер в 11 раз больше Земли, а один круг его вращения вокруг Солнца составляет 12 земных лет.

Эта планета известна и наблюдаема с давнейших времен, ее отлично видно на небосводе, и еще древние шумеры включали ее в свою мифологию и фундамент астрономических наблюдений. Знаменитый ученый Карл Саган выдвинул предположение, что на Юпитере может существовать жизнь на основе аммиака (из которого состоят облака на планете), поскольку жизнь в земном понимании маловероятна – на планете практически нет воды, атмосферы и твердой оболочки. Также на Юпитере часто происходят такие природные явления как грозы и молнии.

Отдельно стоит обратить внимание на спутник Юпитера – Европу, ее исследуют множество ученых, начиная с Галилео Галилея, который ее открыл. Европа немного меньше Луны по размерам, а ее ядро состоит из жидкого железа. Все дело в том, что на этом молодом спутнике очень много воды. Поверхность Европы идеально круглая и ровная из-за льда, который покрывает почти всю ее поверхность. Многими астрономами разрабатывается теория, что внутри спутника теплый океан, в котором, теоретически, может существовать хотя бы примитивная жизнь. Европа – первая открытая человеком планета, на которой есть большое количество воды, однако точный ее состав пока что не известен.

Сатурн знаменит своими кольцами, образованными из камня и льда, а также необычным полярным сиянием. Планета, названная в честь римского бога плодородия, вторая по величине в Солнечной системе после Юпитера, также относится к классификации «газовый гигант» и больше Земли в 10 раз. Поскольку поверхность Сатурна почти полностью из водорода, у него нет твердой поверхности, а внешняя оболочка планеты состоит из облаков, газа и жидких металлов. Несмотря на то, что Сатурн меньше Юпитера всего на 19 процентов, плотность планеты с кольцами меньше плотности Земли, однако это позволяет Сатурну весить больше нашей планеты в 94 раза.

Сатурн обращается вокруг Солнца за 30 земных лет, и его легко увидеть на ночном небе Земли, поскольку он ярче, чем наиболее близкие звезды. Что касается его колец, то единого мнения, как они образовались, нет. Самая популярная теория – распад спутника с жидкой структурой. Благодаря силе магнетизма, он остался на свой орбите, но в виде льда и пыли, а не цельного объекта.

Следом за Сатурном расположился еще один газовый гигант – Уран. Он знаменит не только своим небесно-голубым цветом (в честь чего он и получил имя греческого бога неба), но и тем, что это первая планета, открытая с помощью телескопа. Случилось это знаменательное событие в 1781 году – тогда впервые со времен античности была открыта новая планета. Уран – третья планета из серии «газовых гигантов», имеет 27 спутников и также систему колец на орбите. Примечателен он еще и тем, что ось планеты не вертикальна, а практически полностью горизонтальна, в отличие от остальных планет, поэтому Уран можно сравнить с катящимся по орбите шаром.

Голубизну Урану придает водород и гелий, которые составляют 90 процентов планеты (из них водород – 83. Есть и вода в форме льда, но ее очень мало. Примечательным является и то, что вокруг оси Уран вращается 17 с половиной земных часов, а вот вокруг Солнца – 84 года: 42 года он в тени от Солнца, и 42 – на свету.

Интересный факт: первоначальное название Урана было «Звезда Георга» в честь короля Георга III, который правил в то время, как был открыт Уран, однако это название прижилось только в Британии, и то на первые 70 лет. После этого название официально сменили.

Следом за Ураном идет последний из «газовых гигантов» – Нептун. Планета, завершающая парад больших планет Солнечной системы, была открыта благодаря математическим расчетам, а не наблюдениям астрономов, а затем, в 1846 году, была обнаружена визуально. Темно-синий и величественный, он почти в 10 раз больше Земли, имеет 16 спутников, состоит из водорода, гелия, метана и этана. На нем есть вода в виде ледников. Собственно, наличие большого количества ледников выделяет Уран и Нептун в отдельную категорию «ледниковых гигантов».

Нептун вращается вокруг оси примерно за 18 часов, в то время как один нептунианский год длится 165 земных лет. Расстояние между планетой и Солнцем – в среднем 4 с половиной миллиарда километров.

Как последняя планета Солнечной системы, Нептун имеет большое влияние на так называемые транснептуновые объекты – это система космических тел, которые находятся за Нептуном и составляют край Солнечной системы. Они также имеют свою орбиту и делятся на три части: пояс Койпера, облако Оорта и рассеянный диск. Плутон, ранее считавшийся девятой планетой Солнечной системы, оказался лишь одной из множества карликовых планет, а на данный момент открыто 1400 транснептуновых объектов.

1.2. Галактика Млечный Путь

Наша Солнечная система – лишь крошечная часть мозаики в структуре Вселенной, она является частью огромной галактики Млечный путь, о которой у нас есть лишь скудные сведения. Давайте рассмотрим подробнее то, что мы знаем.

Млечный путь – спиралевидная галактика, диаметр которой составляет целых 100 000 световых лет! Или же 1 квинтиллион километров. Все звёзды, которые мы видим ночью на небе, – часть этой галактики. Трудно представить, но возраст Млечного пути – примерно 14 с половиной миллиардов лет. Вместе с соседскими галактиками, такими как Андромеда, Треугольник и более чем 40 небольшими галактиками-спутниками образуют местную группу галактик. А всего, по подсчетам ученых, во Вселенной около ста тысяч миллионов галактик, и в каждой по триста тысяч миллионов звезд. Вообразить себе такое число не просто сложно, а, пожалуй, что и невозможно. Ну как, почувствовали себя каплей в море?

Сами названия «Млечный путь» и «Галактика» пришли из древнегреческой легенды о появлении Млечного пути на небосводе. Миф гласил, что Зевс дал спящей Гере младенца Геракла, чтобы она напоила его божественным молоком. Так Геракл мог стать полубогом, но Гера проснулась, увидела чужого младенца и оттолкнула его, а ее молоко полилось по небосводу. Так появилось название Хихлос галаксиас, которое переводится как «молочный круг». На самом деле действительно странно, что слово галактика – производное от слова «молоко».

Раньше считалось, что все объекты Вселенной находятся в нашей галактике, и еще в 1920-ом году были организованы международные дебаты насчет того, существует ли что-то внегалактическое? Но спустя несколько лет теория о том, что некоторые видимые туманности могут быть другими галактиками, подтвердилась. Произошло это благодаря известнейшему ученому Эдвину Хабблу, который установил, что некоторые подобные туманности находятся слишком далеко и не могут быть частью Млечного Пути.

Галактика наша имеет форму диска с перемычкой (это значит, что центр галактики пустой) делится на несколько основных частей. Ядро находится в средней части галактики, в созвездии Стрельца. Также есть предположения, что центр Млечного пути – сверхмассивная черная дыра, которая имеет настолько огромную силу магнетизма, что удерживает возле себя тысячи звезд. Рукава галактики – спиралевидные скопления звезд, основные среди них рукав Ориона, рукав Лебедя, рукав Центавра, рукав Стрельца и рукав Персея. Также спираль Млечного пути окружена так называемым гало – это сфера, окутывающая галактику, превращающая ее в шарик со спиралью внутри. Гало образовалось из старых звезд и космической пыли.

Наша Солнечная система находится ближе к краю галактики и движется по орбите в галактическом пространстве со скоростью 230 километров в секунду, то есть полный круг мы делаем за 200 миллионов лет.

Представьте себе, насколько это огромное расстояние, как необъятна Вселенная и что мы значим для нее? Имеют ли значения для таких масштабов то, что мы делаем или люди лишь краткий миг в космическом эпосе?..

Этот ответ должен дать себе каждый сам.

Глава 2. История удивительных открытий

2.1. Древняя астрономия: Междуречье, Египет, Греция, Майя

Еще до начала Великих открытий в Европе мир многое знал о нашей Вселенной. Наблюдения за небом проводились с древнейших времен, как только вид Люди разумные подняли голову вверх и заинтересовались прекрасными созвездиями.

Вопреки расхожим мнениям о том, что первые цивилизации были ограничены своей религией и примитивным устройством государства, и в Шумере, и в Египте, и в Греции с давнейших времен люди знали, что Земля круглая и имеет особый механизм и функции в строении Вселенной. Плоская Земля на китах, черепахах и слонах – всего лишь мифология, никто не относился к этим легендам всерьез уже в 4 тысячелетии до нашей эры.

Взять, например, Египет. Древнее государство, чья история и развитие до сих пор является благодатной почвой для ученых-историков, богатой на загадки и тайны, будоражащие умы человечества. Уже примерно за три-четыре тысячи лет до Новой Эры в этом дивном государстве была изобретена письменность, гончарное дело, оружейное мастерство. И самое главное, самое заветное, с чем ассоциируется это прекрасное, наполненное особым очарованием царство – пирамиды.

Уже тогда у египтян появились календари: лунный и схематический, а год делился на три сезона – «ахет» – пресыщение (наводнение), «перет» – рождение (появление суши) и «шему» – иссушение (отсутствие воды). Соответственно, жизнь египтян, зависящая от цикла, диктующего свои правила, и положила начало астрономии.

Гражданский календарь, так называемый «схематический», аналогичен современному. Он вмещал в себя 365 дней. Год делился на 12 месяцев по 29–30 дней – от «рождения» до «рождения».

Лунный же календарь был доступен не всем и имел свои дни, не подходящие для будничного государственного существования, так как использовался в религиозных целях, для храмовых Мистерий и праздников, а посему был неудобен в жизни повседневной.

Сириус, самая яркая звезда, был ориентиром, по которому древние астрономы добавляли в високосный год тринадцатый месяц. По сути, вся египетская астрономия базировалась на наблюдениях за Сириусом – главной звездой египетской мифологии, ведь считалось, что бог Осирис пришел на землю с пояса Ориона.

До Египта существовала еще одна могущественная цивилизация – Междуречье. Сначала возник Шумер – государство, впоследствии трансформировавшееся в Ассирию и Вавилон.

Шумеры были искушенными астрономами, ведь их религия также основывалась на звёздных путешествиях. Считалось, что создавшие людей боги – Аннунаки прибыли на Землю из созвездия Дракона. Они прекрасно знали, что Земля круглая, что времена года и смена дня и ночи зависят от Солнца, у них были собственные названия всех видимых планет, которые именовались в честь их богов. Так, например Юпитер – это Мардук, а теоретическая планета между Марсом и Юпитером – Тиамат (в мифологии Мардук убивает Тиамат), Венера – Инанна (Иштар, Астарта).

Однако Золотой век астрономии начался в Греции и Риме.

Древнегреческая астрономия сделала очень весомый и важный вклад в развитие астрономии как науки.

Современная астрономия напрямую зависит от греческой и ее истоков.

Астрономию древней Греции можно поделить на четыре периода, а именно:

– Архаический

– Классический

– Эллинистический

– Период упадка

– Имперский

Течение периодов весьма схематично и трудно в общем отнести то или иное достижение к определенному периоду.

Классический период характеризуется скорее «нащупыванием» будущего фундамента, появляются предпосылки и зарождаются мысли о влиянии и методах научных познаний.

Вводятся новые понятия, абстрактные термины в математике, предпринимаются попытки понять закономерность движения небесных светил и их влияния на Землю.

Эллинистический период — это Вселенная, манящая ученые умы. Тогда была создана математическая астрономия, были предприняты попытки определения масштабов Вселенной, изучались небесные тела и их влияние на жизнь человека.

Также была создана философская составляющая астрономии как науки. Два течения – эпикурейцы и стоики – сыграли весомую роль в становлении астрономии.

Эпикурейцы в большей части были приверженцами теории хаоса. Они утверждали возможность существования бесконечного множества миров, схожих с нашим.

Стоики же полагали, что космос рождается в огне, в огне и гибнет, то есть говорили о цикличности. Огонь имел свойство превращаться в три элемента – воздух, воду и землю. При этом вся Вселенная пронизана особой тончайшей материей – пневмой. Космос – живое создание, а пневма – его душа. В центре мироздания – Земля, которая находится в гармонии, благодаря уравновешенности сил, действующих на нее с разных сторон Вселенной.

В период упадка пришедшая из Вавилона астрология была скорее на уровне примитивном и не имела должного развития. Но, несмотря на «застой» науки, деградации не происходило, и это мы можем видеть по трудам Гемина и Сферика Феодосия Вифинского.

В имперский период астрономия возрождается, уже перекликаясь с астрологией. Однако новый толчок быстро приводит к ступору, еще более сильному, связанному с общим упадком культуры в период крушения Римской Империи, а также со сменой ценностей и их радикальным пересмотром.

Древнегреческая астрономия является основой для развития науки в Средние века.

Важные познания, данные в то время человечеству, невозможно не выделить.

В первую очередь это:

– Мир и его видение;

– Непрерывная цепочка причин и следствий, возможность правильного восприятия явлений природы, правильная их оценка и понимание их внутренних процессов;

– Математика и геометрия Вселенной. Космология;

– Последовательно логическая методология;

– Разработка и создание важнейших приборов для наблюдения и изучения космоса и небесных тел;

– Приход к правильному представлению места Земли во Вселенной;

– Открытие новых явлений, процессов;

– Вычисление расстояния от Земли до Луны;

– Осознание масштабов Вселенной;

– Выдвижение ряда гипотез, имеющих отклики в гораздо более поздних периодах (особенно гелиоцентрической системы мира);

– Создание математических моделей движения Солнца, Луны и планет.

Для того, чтобы понять, что не только известный древний мир имел собственные познания по строению Вселенной, давайте обратимся к другой части мира – цивилизации майя.

Майя имели глубочайшие знания в области астрономии, которые напрямую повлияли на человечество. Их вклад неоценимо высок. Письменность, архитектура, математические, астрономические системы. И, конечно же, нашумевший в 2012 году календарь.

Система календарей у майя была сложной, но довольно-таки точной для своего времени, учитывающей множество нюансов. Древние Майя занимались не только подсчетом течения времени, а также его организацией – даже храмы в городах были расположены по определенной астрономической системе.

Майя придавали большое значение небесным телам, их движению и перемещению в космосе. Они умели вычислять наступление затмений, хотя и в современном мире для предсказания наступления солнечного затмения используются сложнейшие вычисления. У Майя же были свои таблицы, рассчитанные на множество лет вперед, довольно точные. Когда же в будущем таблицы были доработаны, исследователи и ученые были поражены: их точность совпадала до одного дня.

Майя верили в цикличность и уделяли большое внимание изучению и движению Венеры. Их расчеты были настолько точны, что расходятся с современными данными всего на несколько секунд в год! Все природные явления, циклично повторяющиеся, усердно изучались и вносились в календари.

В качестве итога стоит заметить, что, несмотря на масштабное развитие науки, майя были слишком зависимы от своей религии и жестокого социального обустройства общества, что и привело в конечном итоге к упадку цивилизации.