Сканировал Игорь Степикин

  • Перспективы
  • Гипотезы
  • Нерешенные проблемы

    БУДУЩЕЕ НАУКИ
    МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЕЖЕГОДНИК

    Выпуск восьмой

  • Издательство «Знание», Москва 1975

    001 Б90

    РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

  • В. И. ГОЛЬДАНСКИИ, В. А. КИРИЛЛИН, Б. Г. КУЗНЕЦОВ (председатель), И. М. МАКАРОВ, В. П. МАСЛИН, В. И. СИФОРОВ

    Ответственный редактор Е. Б. ЭТИНГОФ

    © Издательство «Знание». 1975 г.

    БУДУЩЕЕ НАУКИ (ВЫПУСК ВОСЬМОЙ). ИЗ СОДЕРЖАНИЯ

  • М. Руа (Франция). Обобщенная механика будущего с. 27-35.
  • Ф. Дж. Мэлина (США). ЛМЛ — лунная международная лаборатория с. 36-46.
  • Я. Б. Зельдович, академик. Как рождаются галактики с. 47-62.
  • О. А. Мельников, член-корреспондент АН СССР, А. Н. Геращенко, кандидат физико-математических наук. Пыль и газ в нашей Галактике с. 63-79.
  • B. Е. Xаин, член-корреспондент АН СССР. Глобальная тектоника с. 174-186.

    Статьи иностранных ученых перевели:

  • М. Руа. Обобщенная механика будущего. — С. Игнашев
  • Ф. Дж. Мэлина. ЛМЛ —лунная международная лаборатория. — В. Иванов
  • Редактор переводов статей иностранных авторов Р. Чуйкова

    МОРИС РУА (ROY) — французский специалист по механике, действительный член Французской академии наук, бывший ее президент. Автор многочисленных монографий, учебников и статей по механике, термодинамике, аэронавтике, двигательным установкам самолетов и кораблей.

    МОРИС РУА
    ОБОБЩЕННАЯ МЕХАНИКА БУДУЩЕГО

  • Прежде чем рассматривать перспективы на будущее, мне кажется, полезно кратко охарактеризовать настоящее состояние науки механики.
  • Надо заметить, что категорично определить какую-либо ветвь науки — очень трудная задача. Не стремясь преодолеть личный характер любого мнения на подобную тему, тем не менее следует оттолкнуться от достаточно общепринятых положений, что я и попытаюсь сделать.
  • Характерная трудность краткого описания какой-либо науки еще более увеличивается, если последняя даже своим названием вызывает чрезвычайно повседневное представление о ней. А ведь именно такова механика, возникновение которой относится к младенческому возрасту человечества, когда каждая операция, связанная с применением мускульных сил человека или домашних животных, так же, как и любые действия и приспособления целенаправленного характера, влекли за собой выработку и приобретение знаний, содействовавших созданию механической науки.
  • Для механики этого периода я буду придерживаться следующего одновременно конкретного и общего определения: «механика» — наука о движении тел природы в соответствии с причинами, называемыми «силами», которые определяют это движение.
  • Вначале названное выше движение, по существу, представляло собой изменение во времени положения тела или рассматриваемого объекта; изучение этого движения требовало одновременного использования часов, измеряющих течение «времени», и «основного пространственного множества» (системы координат) для размещения в нем последовательных положений рассматриваемого тела.
  • Равновесие контактирующих тел (статическая и относительно простая задача), затем динамические проблемы, которые относятся, например, к перемещению небесных тел (подсказавшему выбор астрономических часов), к падению так называемых «тяжелых» тел, к определению траектории объекта, брошенного с большей или меньшей силой, были, естественно, первыми сюжетами для размышлений механиков древности. Так трудолюбие рождало в то давнее время механику, называемую рациональной (теоретической), поскольку материальные тела, к которым ее прилагали, были «порождениями разума», т. е. схематизированы и идеализированы: «твердые тела» с неизменной формой или «материальные точки», считавшиеся эквивалентными точечносконцентрированной конечной массе материи.
  • Однако деформируемые тела, жидкости и газы (прежде всего вода и атмосферный воздух) и труднонаблюдаемые движения выходили за пределы механики тел, считавшихся твердыми. Например, уже с давних пор закон Архимеда, влиявший на корабельную архитектуру, эмпирическое изучение действия ветра на паруса кораблей или на крылья ветряных мельниц были вне рассмотрений рациональной механики.
  • Действительно, фактически с XVII в. усилия теоретических исследований достаточно интенсивно направлялись к более сложному изучению так называемых сплошных и деформируемых сред. В этот период Б. Паскаль высказал фундаментальную истину, что в «механике жидкостей и газов опыт (эксперимент) — настоящий мэтр, которому надо следовать», прежде чем априори формулировать какую-либо спорную и отвлеченную концепцию о подобных средах.
  • Спустя два столетия прогресс познания материи привел к тому, что ее «внутреннее состояние» (физическое—твердое, жидкое, газо— и парообразное и химическое) стали понимать как характеризуемое поддающимися эволюции во времени параметрами, связанными с изменением положения и формы каждого элемента сплошной среды и, следовательно, неотделимыми от геометрических параметров (положения и формы) самой среды.
  • Учитывая это соображение и приведенное выше «старое» определение механики, мы можем с некоторых пор обобщить это определение, т. е. считать, что механика в результате естественно необходимой эволюции стала наукой о трансформации положения, геометрической конфигурации и внутреннего состояния тел природы в соответствии с обобщенными силами или «действиями разного рода (механическими, физическими и химическими)», которые определяют эту трансформацию.
  • Со своей стороны, в преподавании, систему которого я унаследовал в первую очередь (ограничиваясь своей страной — Францией) от Э. Жуге и П. Дюэма, я уже в течение 30 лет даю в Париже будущим инженерам именно такую концепцию механики, ставшей «общей динамикой сложных систем», которую я называю «эргодинамикой» с целью подчеркнуть важность энергетической точки зрения. При этом для меня было большой поддержкой узнать об аналогичной эволюции, развивавшейся особенно в Советском Союзе моим известным коллегой профессором Л. И. Седовым.
  • В сущности, все это явилось следствием большого прогресса, связанного с появлением в XIX в. новой дисциплины— «термодинамики», которой принадлежит большая заслуга в освещении фундаментальной проблемы того времени — проблемы наиболее эффективного использования топлива в монотермической среде (какой в общем случае является окружающая среда) для производства механической энергии. «Размышления о движущей силе огня...», сформулированные Карно в первой половине прошлого века, дали этой проблеме истинное теоретическое освещение.
  • За 125 лет рост потребления энергии теплового происхождения существенным образом трансформировал и определял условия жизни и уровень развития экономики индустриальных стран.
  • Первоначально термодинамика ограничивалась изучением трансформаций «систем, не имевших с внешним миром никаких других связей, кроме работы механических сил и обмена теплоты». Появление таких дисциплин, как «электричество», «магнетизм», «электромагнетизм», заставило специалистов по термодинамике принять во внимание эти новые виды физических действий и соответствующие формы энергии; отсюда разработка более общей дисциплины, которую П. Дюэм, например, назвал «энергетикой», но которая ни тогда, ни в последовавшую затем эпоху не встретила отклика, которого она заслуживала, и не получала быстрого развития, которое она, по сути, оправдывала.
  • Одна из причин этого, мне кажется, заключается в том, что надо было дождаться формулировки Эйнштейном и его последователями общей теории относительности с тем, чтобы электромагнетизм, наконец, стал фундаментально единой теорией, такой, от которой могли бы выиграть классическая механика и классическая термодинамика.
  • С другой стороны, введение дискретной концепции внутренней структуры материи в физике (молекулярной, атомной, ядерной) и химии, а в качестве базовой концепции — квантовой механики все в большей степени давало возможность сосуществовать в науке двум различным концепциям внешне сплошной среды: с одной стороны, «макроскопической концепции», абстрагирующейся от любой гипотезы о сущностной, а в случае необходимости и дискретной структуре материи, и, с другой стороны, «микроскопической концепции», которая содержит дискретное, на уровне частиц представление об этой сущностной структуре. На основе этой второй концепции возникают гипотезы, иногда довольно смелые, часто быстро отбрасываемые и заменяемые новыми гипотетическими попытками; однако все эти гипотезы должны согласовываться с реальными данными, получаемыми в масштабе макроструктур.
  • Существенно, что обе эти концепции сплошной среды (одна — макроскопическая; другая — микроскопическая) неприводимы одна к другой и, что, следовательно, существует очень серьезная опасность возникновения ошибки смешения этих двух концепций в изложении какой-либо глобальной теории, если не оговорить или тем более даже не осознать этого положения, иными словами, если, по сути, не дать оправдывающих объяснений в местах перехода от одной из этих концепций к другой.
  • Вообще говоря, любая гипотеза о сущностной и дискретной структуре материи, если она экспериментально подтверждена в условиях, обеспечивающих ее законность для эволюционных проблем макроскопической сплошной среды, обогащает эргодинамику этой сплошной среды, потому что она (гипотеза) позволяет определить связи между параметрами внутреннего состояния и их градиентами и скоростями.
  • Взамен эргодинамика макроскопической сплошной среды формулирует законы и отношения, которые в своей общности остаются обоснованными и приемлемыми независимо от дополнительных предшествующих взаимосвязей.
  • Наконец, если заметить, что макроскопическая сплошная среда дает единственный доступный путь для вычислений не полностью запретной сложности, мы должны заключить, что макроскопическая эргодинамика (прошу прощения за собственный термин) — неизбежная форма обобщенной механики будущего.
  • Изложив таким образом предварительные замечания и объяснения, связанные с собственной историей научной механики, я могу теперь попытаться предположить будущее, естественно, остерегаясь любого притязания на пророчество.
  • Здесь я буду различать два этапа прогресса (я сомневаюсь в том, что можно узнать заранее, будут ли они пройдены последовательно один за другим, а в этом случае — в каком порядке, или одновременно и с каким-либо взаимовлиянием).
  • На первое место я поставил бы слияние (что касается общих принципов) дисциплин, классифицируемых сегодня еще под названием «механика» и «электричество».
  • Как мы знаем, первая шла далеко впереди второй и предоставляла ей некоторые основные концепции. Но они развивались отдельно друг от друга как в научном, так и в техническом плане (аналогично развивалось и их преподавание) таким образом, что сегодня, и не без оснований, специалисты этих двух ведущих областей рассматриваются (и рассматривают друг друга) как имеющие разные специальности. Они вообще испытывают определенную трудность взаимопонимания, и именно поэтому разделение общественного преподавания породило между ними языковую несогласованность — основное препятствие для дальнейшего взаимопонимания и любой кооперации. Действительно, не считают ли обычно инженеры и техники индустриальных стран, что ученый-электрик не есть ученый-механик, и наоборот?
  • Эта ситуация сейчас тем более нелогична, что электричество и электроника играют все более важную роль в механических сооружениях, таких, как различные станки, автомобили, самолеты, и, с обратной стороны, электрическое оборудование требует для своих моторов, генераторов переменного тока, коммутационных устройств более глубокого проникновения совершенной механической техники, и в частности гидромеханической, для охлаждения, например, электрических генераторов.
  • Всего 20 лет назад мы видели зарождение, а затем и быстрое развитие новой дисциплины, называемой «магнитогидродинамикой», которая рассматривает движение в электромагнитном поле несжимаемой или сжимаемой жидкости, имеющей удельную электрическую проводимость и (или) магнитную проницаемость. С этого момента я провозгласил моим ученикам, что появление этой новой дисциплины означает «примирение» разделенных прежде дисциплин: классической механики и классического электричества.
  • Мне также приятно здесь сказать, что настал, как я думаю, наконец, момент сблизить в научном плане, а затем и сплавить воедино преподавания этих дисциплин на их основных базах, что в качестве первого выигрыша обеспечит общую базу для взаимопонимания ученых, инженеров и техников, которые будут специализироваться в области эргодинамики или электромагнетизма.
  • Конечно, в дальнейшем нам нужно разработать надлежащий синтез этой эргодинамики или определенной выше обобщенной механики и электромагнетизма — синтез, который прежде всего будет находиться в области общей теории относительности. Отсюда, переходя к осям координат и явлениям, рассматриваемым в земной жизни, мы снова обретем уже достаточно классические упрощения и сможем получить в очень простой и легкодоступной форме превосходный, новый и плодотворный научный синтез. Именно здесь, по моему мнению, будет большой прогресс науки в рассматриваемых областях.
  • На второе место и особенно потому, что рассматриваемая далее проблема будет доступна для изучения только в более позднее время, я помещу распространение определенной выше эргодинамики на «мир живого».
  • За долгий период, но особенно за последние 100 лет, науки о жизни сделали громадный прогресс. Но потому что они инициировались учеными, формация которых в большей степени была естествоиспытательской, чем специфически физической или химической, эти науки только гораздо позднее могли быть непосредственно связаны со столь сильно ускоренным (приблизительно с 1850 г.) развитием физических и химических наук.
  • Вполне естественно, что нам надо еще сделать большой шаг для того, чтобы попытаться в интересах всей науки объединить явления «живого мира» с явлениями «неодушевленного мира», т. е. с теми, которые (и только они) до настоящего момента здесь рассматривались. Это именно та попытка, которая, как мне кажется, должна поставить новую и привлекательную научную задачу перед специалистами по механике и эргодинамике.
  • Как раз здесь возникают те важнейшие вопросы, которые предстоит освоить и углубить новым исследованиям и поискам. Рассмотрим, например, макроскопическую обобщенную термодинамику. Явление живого мира, очевидно, не избегнут ее, если только необходимые условия законности ее принципов будут для них удовлетворены. Но не существуют ли новые понятия, которые надо было бы ввести, учитывая исключительность феномена самой «жизни», полностью оставленного за пределами неодушевленного мира классической физики и классической химии? На этот вопрос следует ответить только после очень глубоких и очень тщательных размышлений.
  • Я думаю, но это только интуитивное мнение, которое не основывается на достаточно точных экспериментах, что «жизнь» не ставит под сомнение закон сохранения «массы» в обычном смысле. При нашем материальном порядке знаменитый закон «ничто не теряется, ничто не создает себя» вовсе не кажется вызывающим сомнение. Может быть, однако, в этой области необходимо умножить чрезвычайно скрупулезные проверки.
  • Что касается такого принципа, как принцип «сохранения энергии» в том же строгом смысле классической термодинамики, то его приложение к живому миру ставит важный вопрос познания, не имеет ли «живая система» других отношений с внешним миром (на расстоянии или в контакте) помимо работы механических сил и обмена теплоты. Мы можем, мы должны в этом сомневаться, так как существуют другие возможные положительные и отрицательные поступления энергии, которая может быть электрической или магнитной природы.
  • Именно здесь приобретает новую значимость намеченное выше будущее развитие эргодинамики на первом этапе прогресса.
  • Поэты и философы в метафорической форме уже перемещали понятие энтропии на область духовного и художественного творчества. Я остерегаюсь пойти так же далеко, но понятие памяти, воли, психической энергии, которые еще плохо определены, будучи скорее представлениями (образами), чем объектами измерений, играют очевидную и важную роль в поведении живого существа и конкретно человека.
  • Одна из важнейших целей прогресса знаний для наук о жизни (биологии, биофизики, биохимии, психологии, терапии и т. д.), как мне кажется,— разъяснение собственных энергетических понятий, характеризующих проявления самой жизни.
  • И именно в прямой связи с этим прогрессом наук о жизни должен направляться и реализовываться новый рассматриваемый здесь этап прогресса механики в своем наиболее развитом смысле.
  • Может быть, читатель подумает, что я недостаточно детализирую различные направления прогресса собственно механики, которые были бы возможны или желательны в достаточно близком будущем.
  • На самом деле эти направления уже сейчас определены: идет ли речь о пластических материалах, «порошкообразных жидкостях», пористых средах, газе и плазме в сверхзвуковых потоках или других областях уже проводимых исследований, прогресс завтрашнего дня в действительности вытекает из естественного развития приложений современной, т. е. с недавних пор значительно расширяющейся механики. Я абсолютно не хочу преуменьшить интереса к ней, однако речь идет о поле, которое, разумеется, надо возделать и заставить плодоносить, но борозды которого уже проложены или намечены.
  • Вот почему мне кажется более интересным остановиться здесь на желательной эволюции самой структуры рассматриваемой науки.
  • Однако так как я инженер и не интересуюсь только развитием науки в ее общем виде, я хотел бы, заканчивая это изложение, затронуть проблемы, касающиеся механической технологии и путей ее развития.
  • Из опыта я могу заключить, что технология с некоторого момента времени стала настоящей наукой: с тех пор как она рационально вобрала в себя (закодировала) лучший опыт техники, прогресс которой она оплодотворяла. Научное доказательство этой кодификации представляет собой саму базу настоящей механики. Большая трудность появляется здесь в различии компетентностей: хороший технолог — неизбежно специалист-прикладник, будь то фактически или по призванию, в то время как ученый-механик рискует (или может рисковать) оказаться вдали от специалистов-прикладников. Здесь та проблема, которая не решена (или которая иногда даже не решалась) приблизительно одинаково во всех странах, отсюда и частое непонимание между практиками и исследователями. Надлежащие условия для преодоления этой трудности могут быть всегда найдены: это проблема не научная, а психологическая — проблема воспитания, организации и взаимоотношений.
  • Если верно, что технология в своей высшей форме научна по природе и свойствам, то не менее верно также, что ее преподавание гораздо более затруднено, чем преподавание какой-либо теоретической науки, так как первое требует знания реальностей, которое приобретается только непосредственной практикой в компетентной среде. Именно потому, что я всегда рассматривал вовлечение в овладение профессией физического труда (параллельно с приобретением знаний чисто духовных) в качестве одного из основных условий любого человеческого воспитания, я не испытываю никакого смущения, подчеркивая здесь, насколько само будущее механической науки кажется мне зависимым от приобретения каждым будущим ученым этой области достаточных технологических знаний по соответствующей теме. Кроме того (ссылаясь только на прошлое), великие теоретики-механики во всех странах были очень хорошими технологами, даже практиками большого таланта.
  • Я хотел бы добавить к предшествующему последнее замечание.
  • Современная технология сконцентрирована в индустриальных операциях крупного производства, использующего мощные средства, и без сомнения важно поддерживать достаточные усилия по воспитанию (или образованию) и по исследованиям в этом направлении.
  • Но не надо тем не менее пренебрегать (надо даже дать ей новый импульс) технологической работой, которую классифицируют как кустарную, — той технологией, которая реализуется в малом масштабе и самыми разными, в частности, более ограниченными средствами. В почти незапамятном прошлом на кустарном оборудовании производились совершенные, очень искусные предметы, опыт создания которых выковывался из поколения в поколение. В наши дни этот тип технологии, с помощью которой нередко создаются уникальные, несерийные изделия, требует исследований, поисков и прогресса, очень отличных от тех, которых требует массовая продукция на заводе. Все люди, занятые на производстве, все люди прикладных профессий всегда будут делить с людьми науки заслуги перед прогрессом, их всех объединяет и солидаризирует общая цепь, взаимопонимание и взаимоуважение.

    ФРЭНК ДЖ. МЭЛИНА (MALINA) — американский специалист в области астронавтики и геофизики, член Международной астронавтической академии, бывший ее президент и вице-президент, член ряда национальных научных обществ в США, Франции, Англии, Италии, представитель Международной астронавтической федерации в ЮНЕСКО (до 1964 г.), а затем в ООН. Занимается также пластическим искусством. Лауреат многих американских и французских научных премий.

    МЭЛИНА Ф. ДЖ.
    ЛМЛ — ЛУННАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

  • Одна из важных проблем, стоящих перед человечеством и, возможно, еще не осознанная до конца, но требующая своего разрешения в ближайшем будущем, — это проблема разработки конкретных мер по проведению широких научных исследований на поверхности Луны при непосредственном участии человека. Осуществление такой программы реально только под эгидой международного сотрудничества. Председатель Совета «Интеркосмос» АН СССР академик Б. Н. Петров в интервью, посвященном Дню космонавтики («Труд», 1974, 12 апреля), говорил, что создание постоянной научной базы на Луне требует значительных материальных ресурсов и (при всей научной значимости этого проекта) не может быть реализовано без широкого международного сотрудничества и объединения ресурсов многих стран. Будем надеяться, что сказанное им найдет живой отклик.
  • Когда в 1960 г. в Стокгольме создавалась Международная астронавтическая академия (МАА), я предложил (имея тогда те же самые взгляды, что и Б. Н. Петров), чтобы МАА приступила к изучению возможностей проведения людьми исследований на поверхности Луны в рамках международного эксперимента. Предложение было принято, и с тех пор разработка проекта лунной международной лаборатории (ЛМЛ) успешно осуществлялась и достигла того уровня, когда, как мы полагаем в МАА, правительства различных стран могли бы хотя бы постепенно приступить к обсуждению конкретных планов создания на Луне международной постоянной базы для проведения квалифицированных научных исследований.
  • Часто спрашивают, почему необходимо тратить усилия и материальные средства на научные исследования (не только с помощью автоматов, но и при непосредственном участии человека) на поверхности Луны, когда на Земле еще так много людей не имеют благоприятных условий для своего существования.
  • Советский пионер космонавтики К. Э. Циолковский рассматривал Землю как колыбель человечества. Если мы примем эту точку зрения, тогда из нее следует, что пройдут годы и человечество начнет осваивать небесные тела Солнечной системы для улучшения жизненных условий все большего и большего количества людей как на самой Земле, так и на других небесных телах, оборудованных всем необходимым для создания на них поселений людей.
  • Крафт А. Эрике в 1972 г. на 5-м симпозиуме по разработке ЛМЛ в Вене высказал следующее, в какой-то степени парадоксальное, но вызывающее размышления суждение:«Мы живем в один из редких моментов истории (не только человеческой, но и всего живого), когда происходит переход к новому фундаментальному этапу развития. Для рождения ребенка надо перерезать пуповину, связывающую плод с чревом матери. Для рождения человека необходим разрыв нитей, связывающих его с детством. Если допустить существование нового этапа развития цивилизации, порожденного научно-техническим прогрессом, то должна быть разорвана (в смысле ее исключительности и всеобщности) зависимость человека от материнской планеты. Человечество, которое в теории и на практике овладело космической техникой, не может быть осуждено на «одиночное заключение» на одной планете, где оно будет вырождаться само и истощать ее ресурсы. Этот переход к новому этапу развития, как и все другие основные переходные стадии человеческой истории, вызывает у «утробных» людей чувство страха и мрачные предчувствия апокалипсического характера. Они (эти люди) находятся в непримиримом противоречии с людьми, родившимися уже в новом мире. Но этот переход от существования в мире, ограниченном биосферой, к новому миру в открытом космосе должен быть сделан, чтобы прошлое не стало единственным выбором нашего будущего.
  • Изложенная концепция мира открытого космоса выставляет в новом свете человеческую деятельность на Луне после признания лунного промышленного потенциала и его значения для улучшения среды, окружающей человека на Земле. Такой взгляд придает научно-исследовательскому интересу освоения Луны практическое значение. С этой точки зрения Луна — не только объект, представляющий существенный интерес для науки, не только база для астрономических и научных исследований, но «увы» — и источник экономических ресурсов».

    •

  • Можно ожидать, что Луна — наша ближайшая соседка по космосу — явится первым небесным телом, которое будет наиболее тщательно изучено и использовано для научных и прикладных целей. Существуют четыре основные причины, из-за которых исследования на лунной поверхности обладают столь привлекательными и интересными возможностями. На Луне нет атмосферы и искусственно созданных электромагнитных волн, которые мешают при наблюдениях космического пространства на Земле. Степень вакуума там такова, что пока ее не удается получить в земных лабораториях, а сила тяжести составляет лишь одну шестую часть соответствующей величины для Земли.
  • На различных международных конференциях, организованных для изучения проекта ЛМЛ, были выделены пять основных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований в столь необычных физических условиях. Первое, естественно, касается изучения самой Луны: ее геологических характеристик, окружающей среды, происхождения и последующей эволюции. Второе: астрономы и астрофизики хотели бы использовать Луну как площадку для наблюдения Солнца, планет, звезд и галактик. Третье направление — использование Луны в качестве платформы, с которой можно изучать Землю (главным образом ее атмосферу), а также параметры системы Земля — Луна. Четвертое: на Луне можно ставить трудновыполнимые или вообще невыполнимые на Земле эксперименты по физике, химии, биологии, физиологии и другим наукам. Наконец, пятое: возможны такие исследования, которые позволят использовать лунные ресурсы на Луне и на Земле, а также для проведения экспериментов в пространстве между Луной и Землей.
  • При разработке проекта ЛМЛ в качестве одной из предпосылок считалось, что эксперименты в постоянном лунном исследовательском центре будут осуществляться учеными-космонавтами, так как наблюдения посредством автоматических аппаратов, управляемых с Земли с помощью дальней связи, представляют большой научный интерес лишь на предварительной (т. е. современной) стадии исследования Луны. В 1960 г., когда начиналась разработка проекта ЛМЛ, многое из того, что понятно теперь (особенно после успешного осуществления американской программы «Аполлон»), было неясно. Ожидалось и предполагалось, что жизнь астронавтов на Луне будет подвержена различным опасностям, таким, как отсутствие гравитации (точнее, пониженная гравитация), падение метеоритов, жесткое солнечное и космическое излучение. Участники симпозиума по обсуждению проекта ЛМЛ, состоявшегося в 1964 г. в Варшаве, исходя из существовавшего тогда уровня космической техники, пришли к заключению, что постоянный исследовательский центр на Луне может начать функционировать в период 1975—1985 гг. Участники второго симпозиума по ЛМЛ (Мар-дель-Плата, Аргентина, 1969 г.) подтвердили этот вывод. Однако стало очевидно, что этот срок будет определяться не техническими достижениями, а желанием большинства государств поддержать этот проект.
  • Международная астронавтическая федерация от имени МАА представила на рассмотрение в ООН результаты разработок проекта ЛМЛ в надежде, что проекту будет уделено внимание на международном правительственном уровне. По моему мнению, пришло то время, когда ООН должна заинтересоваться проектом будущих исследований на Луне и оказать умеренную финансовую поддержку в течение нескольких лет на предварительной стадии разработки проекта. Затем, по окончании разработки проекта, можно было бы запустить лабораторию к Луне, использовав при этом и людские и материальные ресурсы с наибольшей эффективностью.
  • Для того чтобы выяснить в широком аспекте, какие эксперименты в различных областях фундаментальных и прикладных наук следует предпринять в программе ЛМЛ, были проведены пять симпозиумов МАА, посвященных комплексу геонаук и астрономии (Афины, 1965 г.), медико-биологическим исследованиям на Луне (Мадрид, 1966 г.), физике и химии (Белград, 1967 г.), прикладным наукам и использованию лунных ресурсов (Нью-Йорк, 1968 г.) и обобщению проведенных исследований Луны (Вена, 1972 г.). Дальнейшая разработка проекта во многом обязана предложениям ученых — представителей СССР, США и некоторых других стран на этих симпозиумах.

    •

  • За последние 10 лет космических исследований было получено больше информации о Луне, чем за весь период наземной астрономии, начиная с изобретения телескопа в XVII в. Учитывая эту информацию, стоит, по-видимому, наметить следующие основные направления исследований постоянной лунной лаборатории:
  • 1. Эффективность человеческой деятельности в окрестностях Луны. Для того чтобы постоянный обитаемый исследовательский центр функционировал на Луне, очевидно, в первую очередь необходима уверенность в том, что человек сможет не только выжить в таящих опасности окрестностях Луны, но и работать там с определенной эффективностью, например, в течение одного года.
  • Можно ожидать, что кратковременные пилотируемые экспедиции к Луне дадут достаточное количество информации, необходимой при конструировании систем жизнеобеспечения, снаряжении и оборудовании лаборатории для долговременной программы работ. Кроме того, для разрешения физиологических и психологических проблем, определяемых физическими условиями на Луне, необходимо еще на Земле при тренировках кандидатов в состав лунной лаборатории принять соответствующие меры с тем, чтобы проверить пригодность системы жизнеобеспечения и научной аппаратуры в таких условиях, а также совместимость членов экипажа в условиях изоляции и повышенного нервного напряжения. Затем должны быть проанализированы также проблемы связи между членами экипажа лаборатории как с технической, так и с лингвистической точек зрения (последнее связано с международным характером эксперимента).
  • 2. Использование лунных ресурсов. Экономическая проблема функционирования лунной лаборатории будет в значительной степени решена, если представится возможность использовать лунные ресурсы для поддержания жизнеобеспечивающих систем, для производства ракетного горючего и для строительных целей. Следовательно, наиболее важной проблемой будет получение водорода и кислорода и их использование в качестве горючего и для производства воды. Должны быть также проанализированы возможности получения энергии (от солнечных, ядерных или химических источников энергии).
  • 3. Исследование Луны: геология и геофизика. Можно предположить, что с началом функционирования постоянной лаборатории удастся получить обширные топографические карты лунной поверхности и районов, представляющих интерес для геологии, а также более полную информацию о физических и химических свойствах лунных материалов. Большой интерес будут представлять также дополнительные данные, которые помогут изучению происхождения, состава и строения Луны.
  • 4. Астрономические и астрофизические исследования с Луны. Луна представляет собой идеальную площадку для астрономических и астрофизических наблюдений благодаря отсутствию атмосферы и малой величине силы тяжести.
  • При определении конструкций оптических телескопов в ЛМЛ необходимо будет учесть экспериментальные данные, полученные по установленным на искусственных спутниках Земли телескопам. Совершенно очевидно, что обратная сторона Луны — одно из наиболее удобных мест для размещения радиоастрономических инструментов в нашей Солнечной системе. Важная причина развития радиоастрономических исследований на Луне — возможность установления связи с внеземными цивилизациями, если, конечно, они существуют. Такая возможность вызывает значительный интерес у ученых (главным образом в СССР и США).
  • Большую пользу может принести также функционирование двух лунных обсерваторий, одна из которых будет находиться на видимой, а другая — на обратной стороне Луны. Такая система позволит вести непрерывные наблюдения солнечной активности.
  • 5. Метеорологические наблюдения Земли с Луны. Группа ученых Ленинградского университета во главе с членом-корреспондентом АН СССР К. Я. Кондратьевым отметила большую значимость создания на Луне метеорологической обсерватории. Такая обсерватория могла бы значительно дополнить информацию, получаемую на Земле (в частности с метеорологических спутников), и способствовать повышению эффективности прогнозирования погодных и климатических условий на Земле. Требования к аппаратуре такой обсерватории были бы более скромными, нежели к астрономическим инструментам.
  • 6. Исследования в области физики, химии и прикладных наук. Физические условия на Луне, в частности высокая степень вакуума, а также существенно меньшая сила тяжести по сравнению с земной, предоставляют уникальную возможность для изучения там многих проблем физики, химии и прикладных наук. Некоторые из этих проблем (они обсуждались, как уже было сказано, на 3-м и 4-м симпозиумах по ЛМЛ) могли бы быть включены в начальную программу постоянного обитаемого центра на Луне в качестве первоочередных исследований.

    •

  • Предварительный анализ перспектив наиболее эффективного функционирования лаборатории на Луне указывает на невозможность использования (по крайней мере в начальный период работы ЛМЛ) тех же самых методологических и организационных принципов, которые являются основополагающими при исследованиях на Земле. Высокая стоимость доставки персонала и соответствующего оборудования на Луну (в особенности оборудования, необходимого для жизнедеятельности персонала) неумолимо заставляет предельно снизить количественный состав этого персонала.
  • Первоначально лаборатория будет, вероятно, состоять из блочных конструкций или отсеков, изготовленных и оборудованных на Земле. При этом необходимо, чтобы сборка отсеков в единое целое требовала минимальных усилий, а конструкция в целом допускала добавочное расширение.
  • Как будет выглядеть постоянная лунная лаборатория? Это один из наиболее частых вопросов, которые нам задают. Откровенно говоря, мы еще не знаем этого. Когда будет разработана конкретная программа исследований, которая определит тип используемого оборудования, размер жилищ для персонала и отсеков для аппаратуры предварительной обработки данных, и когда нам больше станет известно о свойствах вещества лунной поверхности, видимо, только тогда придет время для обсуждения вопросов лунной архитектуры. Высказываемые сейчас предположения о возможной лунной архитектуре столь же хороши, как и любые гипотезы из научно-фантастической литературы.
  • Большая часть научно-технического обслуживающего персонала и основная аппаратура сбора данных будут находиться на Земле, а многие экспериментальные исследования на Луне будут контролироваться специалистами с Земли.
  • Участники симпозиума по ЛМЛ в Варшаве кратко рассмотрели вопросы квалификации персонала лунной лаборатории. Был сделан вывод о том, что физиологические требования при отборе кандидатов должны быть менее жесткими, чем при нынешнем отборе космонавтов и астронавтов, и что определяющим фактором при отборе должна быть научно-техническая квалификация в соединении со специфической способностью исследовать неизведанное. Естественно, что надо будет также учесть способность каждого работать в малочисленном коллективе, находящемся в чрезвычайных условиях лунного окружения. Любопытно мнение по этому поводу президента МАА доктора Ч. Дрейпера. Он считает, что идеальными кандидатами могли бы стать отставные профессора.
  • Несмотря на то, что принцип соревнования между отдельными людьми или группами людей широко используется для получения определенных достижений в той или иной области исследований на Земле, огромные экономические потери, возникающие в результате дублирования космических программ, вызывают сомнение в целесообразности конкуренции между странами в освоении космического пространства. Активная деятельность в околоземном пространстве и в более широких пределах — относительно дорогое предприятие. Я говорю «относительно дорогое», ибо, если сравнить стоимость космических исследований с расходами на вооружение и войну, то тогда космические исследования очень дешевы. Если же сравнивать стоимость космических исследований с нуждами человечества в пище, крове, образовании и других необходимых условиях для благоприятного существования, то тогда стоимость космических исследований очень велика.

    •

  • Многие государства в общем поддерживают международное сотрудничество в области исследования космического пространства. Международные правительственные организации, в частности ООН и ЮНЕСКО, имеют специальные программы по ряду аспектов мирного использования космического пространства. Сотрудничество в области космических исследований осуществляется восточноевропейскими странами в рамках программы «Интеркосмос», а западноевропейскими странами — в рамках ESA. МАА — международная организация, действующая не на правительственном уровне, ставит в качестве одной из своих главных целей содействие международному сотрудничеству в области научно-технических исследований космического пространства.
  • В Договоре о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела, в частности, говорится: «Космическое пространство, включая Луну и другие небесные тела, свободно для научных исследований, и государства содействуют и поощряют международное сотрудничество в таких исследованиях». И далее: «Все станции, установки, оборудование и космические корабли на Луне и на других небесных телах открыты для представителей других государств — участников настоящего договора на основе взаимности» («Правда», 1967, 28 января).
  • В представленном (сентябрь 1969 г.) президенту США докладе комиссии по разработке космических исследований, озаглавленном «Космическая программа «Пост-Аполлон»: перспективы на будущее», говорится, что государственное участие США в международных программах и развитие сотрудничества являются главной задачей космической программы с тем, чтобы: «развивать идею всемирной общности, улучшать технические и экономические аспекты международного сотрудничества, применять космическую технологию для нужд человечества, участвовать в использовании результатов космических исследований и финансировании последних».
  • Названный доклад комиссии по разработке космических исследований предлагает, в частности, следующее: в том случае, если международное сотрудничество будет расширено должным образом, важно изучить возможности принятия специального международного соглашения о полном взаимном обмене новыми космическими технологиями и новыми результатами космических исследований как между технически развитыми, так и с развивающимися странами.
  • В настоящее время не существует никаких официальных соглашений относительно разработки постоянной лунной обитаемой исследовательской лаборатории, которая бы создавалась в рамках международного эксперимента.
  • Проект ЛМЛ, разрабатываемый в течение последних 14 лет, в принципе способствует появлению конкретных предложений о возможной работе в обитаемой лунной лаборатории, выдвигаемых учеными и другими специалистами не только СССР и США, но и других стран. По проекту были сделаны конкретные замечания учеными из Аргентины, Болгарии, Великобритании, Греции, Италии, Польши, Франции, ФРГ, Чехословакии, Швейцарии, Швеции и Японии, дополняющие предложения США и СССР.
  • Читатель, видимо, ожидает найти заключительные замечания в конце данной статьи. Однако если Земля действительно является в Солнечной системе только колыбелью нашего вида земной цивилизации, тогда создание международной постоянной обитаемой лаборатории на Луне не является каким-либо заключением, а, наоборот, знаменует собой начало этапа открытого космоса.

    Приложение

  • Участники 2-го симпозиума по ЛМЛ (1969 г.) дали президенту МАА следующие не изменившиеся с тех пор рекомендации (имеет смысл изложить их здесь, несмотря на то, что об основных их положениях уже говорилось выше):
  • 1. Десятилетие 1975—1985 гг., квалифицированное на 1-м симпозиуме по ЛМЛ как период, в течение которого может начать функционировать постоянный обитаемый исследовательский центр на Луне, с технической точки зрения остается приемлемым для выполнения этой задачи.
  • 2. Следующие области исследований и направления разработки проекта ЛМЛ должны быть рассмотрены в первую очередь:
  • а) условия жизнеобеспечения персонала лаборатории, гарантирующие эффективность его работы (как персонально, так и коллективно) в течение периода до одного года;
  • б) использование лунных ресурсов для поддержания жизненеобходимых условий, производства ракетного горючего и для строительных целей;
  • в) исследования в области лунной геологии и геофизики;
  • г) астрономические и астрофизические наблюдения с Луны;
  • д) метеорологическое обследование Земли с Луны;
  • е) анализ специфических проблем в области физики, химии и прикладных наук.
  • 3. В рамках международного сотрудничества для конкретизации программы ЛМЛ должны быть рассмотрены следующие аспекты:
  • а) разработка и изготовление системы жизнеобеспечения;
  • б) разработка и изготовление научной аппаратуры и оборудования;
  • в) отбор персонала лунной лаборатории;
  • г) разработка и испытание макета лунной лаборатории на Земле, проведение тренировок персонала, отобранного для работы на Луне;
  • д) функционирование сети наземных станций для контроля программы исследований и сбора данных;
  • е) транспортировка людей и материалов по маршруту Земля — Луна.
  • 4. Программа лунной обитаемой лаборатории должна учитывать опыт работы орбитальных космический станций.
  • 5. Следует ожидать, что благодаря международному сотрудничеству общие затраты на создание и функционирование обитаемой лунной лаборатории будут значительно снижены. Однако при этом темпы реализации проекта будут более медленными, нежели в случае его осуществления каким-либо одним государством.
  • 6. Развивающимся странам должна быть предоставлена возможность участия в работе лунной лаборатории (как на наземных станциях, так и в самой лунной лаборатории) в областях, где они имеют квалифицированных специалистов, даже в том случае, если они не в состоянии взять на себя достаточную долю расходов в общем бюджете программы.
  • 7. МАА должна обратить внимание на необходимость специальных соглашений и институтов по повышению образования в масштабах проводимого международного научно-технического сотрудничества.
  • 8. МАА должна продолжать разработку научных и технических аспектов, связанных с проектом ЛМЛ.
  • 9. Международный институт космического права должен поощрять интерес к правовым проблемам, связанным с созданием и функционированием ЛМЛ.
  • 10. Финансовый комитет по космическим экспериментам при МАА должен предпринять анализ экономических аспектов функционирования лунной лаборатории в рамках международного эксперимента.

    ЯКОВ БОРИСОВИЧ ЗЕЛЬДОВИЧ — физик, академик, трижды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий. Занимался теорией горения, ядерной физикой, теорией элементарных частиц. В настоящее время основная область исследований -астрофизика и космология.

    ЗЕЛЬДОВИЧ Я. Б.
    КАК РОЖДАЮТСЯ ГАЛАКТИКИ

  • Наука растет из года в год в геометрической прогрессии. Этот рост относится и к числу научных работников, и к материальным затратам, и к количеству публикуемых статей о новых теориях, экспериментах, расчетах, гипотезах. Скептики говорят, что так было всегда, и в процентном отношении рост числа ученых в России за время царствования Петра I был даже быстрее чем в послевоенный период 1945—1975 гг. Не буду оспаривать исторические изыскания и арифметические выкладки. Рост науки, сам по себе непрерывный, привел тем не менее к качественно новому положению именно теперь, в конце XX в. Как никогда раньше, сейчас нужны обобщения, популяризация (но не вульгаризация) и прогнозирование.
  • Общий принцип такой деятельности состоит в четком изложении проблемы: какая задача решается, с какой целью, на основе каких предпосылок. За скобками при этом остается техника решения задачи, как именно, с помощью каких опытов или формул получается ответ. Главное, что ставится вопрос, раскрывающий содержание задачи.
  • Народная мудрость гласит: «Один невежда может задать столько вопросов, что сто умных не ответят». Велика ли трудность — задавать вопросы, велика ли в этом заслуга? Но в действительности именно постановка новых научно обоснованных вопросов и представляет собой лучшую характеристику развития науки. Можно сказать длиннее, но точнее: новые вопросы попадают в разряд научно обоснованных, мы находим научные подходы к вопросам, которые раньше, на предыдущем этапе, казались праздными или (и) недоступными.
  • В бессмертных «Мертвых душах» Гоголя помещик-тунеядец Кифа Мокиевич и его достойный отпрыск, недоросль и лоботряс Мока Кифович, проводят время, рассуждая о вечных вопросах: ежели бы слон яйца нес, то можно ли было бы оное яйцо пушкой разбить. Во времена Гоголя, да и значительно позже, до начала нашего века, споры о конечности или бесконечности Вселенной и рассуждения о начале мира и его эволюции (впрочем, существовал ли сам этот термин «эволюция» применительно к астрономии?) неизбежно носили отпечаток помещичьих посиделок. Любопытно, что в знаменитых «Гипотезах», лежащих в основании геометрии, Бернгардт Риман специально предупреждал: «Для объяснения природы вопросы о неизмеримо большом — вопросы праздные. Иначе обстоит дело с вопросами о неизмеримо малом...»
  • Вопрос о бесконечности Вселенной не решен и сегодня. Однако теперь никто не вправе назвать вопрос праздным. Отличие заключается в том, что сегодня мы знаем, какие (трудные!) измерения плотности межгалактического газа и какие поиски черных дыр в галактиках необходимо произвести, для того чтобы научно ответить на вопрос.
  • Вместе с тем, отвечая на вопрос о бесконечности Вселенной, мы уже можем и должны считать известными из опыта существование элементарных частиц — протонов, электронов, фотонов и др., численные значения их масс и постоянной Планка, считать известной теорию тяготения Ньютона и ее обобщение — общую теорию относительности Эйнштейна и численное значение гравитационной постоянной.
  • Здесь, вероятно, нужно уточнить позицию: очень может быть, что существование частиц и их массы и другие перечисленные выше предпосылки окажутся следствиями новых более общих теорий; возможно, что это будущее не за горами. Уже сейчас появляются попытки построения таких теорий, и можно только приветствовать эти поиски.
  • Но частный вопрос, достаточно четко поставленный, о бесконечности Вселенной можно решать уже теперь, немедленно, не ожидая всеобъемлющей теории элементарных частиц.
  • Корабль науки разделен водонепроницаемыми перегородками на отдельные отсеки. Самые катастрофические изменения в одних областях науки не влияют на другие области: открытие позитронов не повлияло на квантовую теорию атомов и молекул. Взаимосвязи между отдельными областями не хаотичны, они подчинены великому «принципу соответствия» современной физики, а точнее, всей современной науки. Именно принцип соответствия дает уверенность в том, что новые, еще неизвестные теории в широкой классической (исследованной ранее) области должны будут совпадать с известными сегодня менее полными теориями — «соответствовать» им.

    Исходные положения в проблеме образования галактик

  • Астрономические наблюдения говорят о существовании более 100 миллионов миллионов (100 х 106 х 106 = 1014) галактик в пределах, доступных современным телескопам.
  • Заметим попутно, что при увеличении силы телескопов станет возможным наблюдение более далеких галактик, невидимых сегодня. Приведенное выше число увеличится. Однако увеличение это не будет беспредельным даже в случае беспредельного увеличения силы телескопов и «удаления» в бесконечной Вселенной. Дело в том, что, удаляясь в пространстве, мы одновременно удаляемся и во времени. Чем дальше от нас галактика, тем больше времени должен затратить свет на преодоление расстояния, отделяющего ее от нас. Значит, свет, пришедший сегодня, приносит сведения о состоянии галактики в далеком прошлом. Увеличивая расстояние и, следовательно, наблюдая все более раннее состояние соответствующих далеких областей, мы должны будем наконец увидеть Вселенную в ту эпоху, когда не было ни звезд, ни галактик... Но к вопросу об этом состоянии мы вернемся несколько позже. Пусть сведения, полученные непосредственными наблюдениями, предшествуют теоретическим следствиям и гипотезам.
  • Галактики представляют собой огромные скопления звезд. Галактика, к которой принадлежит Солнечная система (Галактика с большой буквы), состоит из 100 или 200 млрд. (1ё2·1011) звезд.
  • Преобладают звезды с массой, близкой к массе Солнца (2·1033 г) или меньшей. В нашей Галактике звезды по преимуществу расположены внутри относительно тонкой чечевицы диаметром до 100000 световых лет (1023 см) и толщиной около 1000 световых лет (1021 см). Такое уплощенное строение Галактики объясняется ее вращением. Представьте себе вращающееся облако газа. Силы тяготения стремятся сжать газ. Сжатию вдоль оси вращения противостоит только давление газа, которое уменьшается по мере охлаждения. Но приближению газа к оси мешает еще и центробежная сила. Эта сила останавливает сжатие, так что получается диск. Вращение не помешает газу распасться на отдельные звезды, эти звезды в галактике группируются в спиральные полосы (Примеч.- Точнее надо было бы сказать, что вращение хотя и затрудняет образование звезд, но все же не делает его невозможным. В спиральных полосах («рукавах», как их принято называть) особенно много молодых ярких звезд. Общее распределение массы всех звезд, ярких и менее ярких, более равномерно. Значительная часть вещества находится вне тонкого диска.). Находясь внутри Галактики, было нелегко определить ее структуру. Для других галактик (с маленькой буквы!) достаточно одного взгляда на фотографии, полученные с помощью мощных телескопов.
  • Наряду с плоскими и спиральными галактиками есть и шаровые галактики, и промежуточные формы. Как можно отличить по снимку, глядя на круглый отпечаток, шаровую галактику от диска, сфотографированного анфас? В плоском диске скорость звезд вдоль оси мала. Диск склонен распадаться на спиральные ветви. Шаровое скопление отличается равномерностью распределения звезд по углу. Наряду с формой галактик изучают и движение звезд. Спектральные линии смещаются в красную сторону для тех звезд, которые от нас удаляются, и в синюю сторону — для приближающихся к нам звезд. Нельзя заметить движение звезд в других галактиках по изменению их положения путем сравнения фотографий, снятых 100 лет назад и сегодня, — эти перемещения слишком малы. В шаровом скоплении скорости звезд по всем направлениям одинаковы, а значит (при равных массах и размерах), скорость звезд вдоль луча зрения больше, чем осевая скорость в диске, когда спектр отдельных звезд неразличим. В шаровом скоплении наблюдаются широкие (усредненные) линии.
  • Итак, чем же объяснить разнообразие галактик? Непосредственной, ближайшей причиной такого разнообразия является разное соотношение между скоростью вращения и хаотической скоростью движения звезд.
  • Величина (размер и общая светимость) галактик зависит от их массы.
  • В свою очередь, галактики не распределены по небу равномерно. Оказывается, что чаще встречаются галактики, входящие в так называемые скопления галактик размером до 10 млн. световых лет, с плотностью в несколько раз больше средней плотности. Но скопления не имеют резких границ. Полагают, что одна треть галактик, может быть, находится вне скоплений. Сами скопления распределены в пространстве неравномерно.

    Сходство и различие между мегамиром и микромиром

  • Часто сопоставляют микромир (мир атомов, электронов и других элементарных частиц) и макромир — мир привычных нам житейских, обиходных размеров. Но недаром существуют выражения «астрономические размеры», «астрономические затраты» и т. п. Астрономию можно назвать наукой о мегамире, о явлениях, разыгрывающихся в масштабах, гигантски превосходящих обыденные, привычные размеры.
  • Итак, сравним звезды в космических просторах и атомы газа в сосуде.
  • Каким бы ни было начальное распределение атомов в сосуде, движение атомов быстро приведет к равномерному заполнению сосуда. Если мысленно разделить сосуд на несколько одинаковых объемов, то в каждом окажется равное число атомов. Так будет и в том случае, если в начальный момент эти объемы были разделены какими-то стенками и весь газ был сжат в одном из объемов, а затем стенки сняты.
  • От чего зависит различие между атомами, с одной стороны, и звездами и галактиками — с другой? Отчего звезды и галактики скапливаются вместе? Ответ очевиден: в астрономии важнейшую роль играет всемирное тяготение. Взаимное притяжение звезд удерживает их в составе галактик. Естественно предположить, что и скопления галактик обязаны своим происхождением силе всемирного тяготения. Атомы газа в обычных условиях между собой почти не взаимодействуют — только отталкиваются друг от друга, как бильярдные шары при столкновениях.
  • Значит, звезды и галактики больше похожи на атомы или молекулы пара при низкой температуре, ниже точки кипения. При атмосферном давлении и температуре ниже 100° С водяной пар частично превратится в капельки жидкой воды, возникнет туман: распределение молекул воды в пространстве окажется неравномерным (плотность внутри капли в 2000 раз больше, чем плотность окружающего пара). Причина такой частичной конденсации очевидна: в данных условиях взаимное притяжение молекул воды удерживает молекулы в капле.
  • Аналогию можно провести и дальше. Читатель знает о расширении Вселенной. Поэтому естественно провести аналогию с расширяющимся водяным паром. Пусть в начальном состоянии водяной пар нагрет до температуры выше кипения (при данном давлении); в ходе расширения произойдет охлаждение пара и часть пара превратится в капли. Как похожа эта картина на образование галактик! Однако есть и существенное отличие: капли воды имеют строго шарообразную форму, с резко очерченной границей. Галактики и скопления галактик характеризуются плотностью, постепенно спадающей от центра к периферии, без резкой границы, в большинстве случаев они имеют не сферическую форму.
  • В чем причина этих отличий? В конечном счете дело сводится к различию в характере сил, связывающих молекулы воды в капле, и сил, связывающих звезды в галактике. Молекулярные силы близкодействующие. Возьмем каплю диаметром в один микрон (10-4 см). Молекулы воды, уложенные в один слой, занимают по радиусу приблизительно 3·10-8 см. В этом слое молекулы связаны с «телом» капли. Однако если молекула находится на расстоянии 10-6 см от поверхности капли (в 30 раз больше толщины слоя), энергия взаимодействия с каплей уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния, т. е. в (30)3 » 30000 раз, практически обращается в нуль. На этом расстоянии молекулы воды летят, не замечая каплю. Между тем расстояние от центра капли почти не изменилось: на поверхности оно равно 5·10-5 см, а на расстоянии 10-6 см от поверхности составляет 5,1·10-5 см. Очевидно, что в астрономии силы тяготения зависят от положения частицы совершенно иначе. На расстоянии в 5·105 световых лет от центра галактики и 5,1·105 световых лет от центра энергия гравитационного взаимодействия отличается всего на 2%, а не в 30000 раз.
  • В этом и заключается причина постепенного, не резкого спада плотности на периферии галактик и скоплений галактик.
  • Второе отличие молекулярных сил состоит в том, что притяжение молекул и атомов сменяется отталкиванием на малых расстояниях. Плотность жидкости или твердого тела соответствует как раз такому расстоянию молекул между собой, на котором эти две силы уравновешены.
  • В случае звезд в галактиках или галактик в скоплениях никаких сил отталкивания нет. Притяжение уравновешено кинетической энергией движения звезд или галактик или центробежной силой, что, в сущности, есть тоже проявление кинетической энергии движения. Звезда, притягиваясь к центру скопления, ускоряется и «падает» на центр (если у нее нет бокового, тангенциального движения), но по инерции пролетает через центр и снова удаляется от него.
  • Таким образом, характер равновесия в капле и в галактике разный. В капле находится в равновесии и в среднем покоится каждая молекула, в галактике каждая звезда не в равновесии, движется, но на ее месте оказывается другая звезда. Система в целом — галактика — оказывается в равновесии. Впрочем, эти соображения важны скорее для конечных стадий, для «смерти», а не для рождения галактик.
  • Итак, нам предстоит рассмотреть эволюцию систем, где главную роль играют силы тяготения, для которых характерно притяжение, нигде не сменяющееся отталкиванием, и дальнодействие — медленное убывание сил с расстоянием. Эволюция, включая рождение галактик и еще более крупных образований, происходит на фоне общей эволюции Вселенной. Поэтому сейчас нужно напомнить основные факты, касающиеся Вселенной как целого.

    Горячая расширяющаяся Вселенная

  • Вселенная расширяется. Это краткое выражение означает, что расстояние между любой парой скоплений с течением времени увеличивается. В процентном отношении к расстоянию это увеличение одинаково для любой пары скоплений, более или менее далеких, находящихся в разных участках неба. Непосредственные измерения доказывают это увеличение расстояний от других скоплений до нас, до земного наблюдателя. Скорость удаления равна 50 км/с на расстоянии 3000000 световых лет, 100 км/с — на расстоянии 6000000 световых лет и т. д. Судят о ней по доплеровскому смещению спектральных линий. Удалению соответствует смещение линий в красную сторону. Поэтому говорят о красном смещении. Но если скопления удаляются от нас, то и средние расстояния между ними также растут и по тому же закону.
  • Частный вывод из наблюдаемого закона расширения заключается в том, что в прошлом все расстояния были меньше, а плотности были больше. Около 15 млрд. лет назад скопления соприкасались между собой. Еще немного раньше — 16 или 17 млрд. лет назад — плотность вещества была бесконечна!
  • В настоящее время радиотелескопы обнаруживают своеобразный шум, равномерно приходящий со всех направлений, куда бы мы ни направили приемную антенну. Этот шум соответствует плотности электромагнитной энергии 4·10-13 эрг/см3, концентрации 400 фотонов (квантов света) в одном кубическом сантиметре пространства при средней энергии фотона около 10-15 эрг (Примеч.- Для сравнения отметим, что концентрация протонов и электронов около 1 (т. е. одной штуки каждого сорта) в кубическом метре = 10-6 см3. Эта цифра получится, если звезды и все остальные тела мысленно «размазать» равномерно по всему пространству. Итак, концентрация протонов в 400000000 раз меньше, чем концентрация фотонов. Поистине мир состоит главным образом из фотонов.).
  • Точно такое же излучение установится в замкнутом сосуде, стенки которого охлаждены до температуры 2,7° K(-270,4°C). Это излучение резко отличается от излучения отдельных радиоисточников — квазаров, пульсаров. Излучение источника регистрируется лишь тогда, когда приемная антенна направлена именно на данный источник. Шумовое излучение регистрируется, как уже говорилось, во всех направлениях.
  • Единственное возможное объяснение свойств шумового излучения заключается в следующем. В прошлом, в период, когда во Вселенной вещество было плотным, оно было также и горячим. По расчету при плотности протонов и электронов 10-3 г/см3, что соответствует 6·1020 штук/см3, температура равнялась 3 миллиардам градусов, при плотности 10-12 г/см3 (1012 штук/см3) — Т = 3 миллионам градусов, при плотности 10-21 г/см3 (1000 штук/см3) — Т = 3000°. При высокой температуре и большой плотности получается вполне определенный спектр излучения; в ходе расширения естественно получится наблюдаемая в настоящее время картина излучения.
  • При высокой температуре звезды не существуют. Образование галактик, скоплений, звезд и, в частности, радиоисточников, на поздней стадии, когда Вселенная прозрачна, не изменит свойства шумового излучения. Имея в виду его древнее происхождение, говорят о «реликтовом» излучении в отличие от возникшего позже излучения отдельных источников.

    Гравитационная неустойчивость

  • Теория горячей Вселенной предполагает строгую упорядочность всеобщего расширения: одинаковое во всех направлениях расширение, одинаковая во всех точках (в один и тот же момент) плотность и температура вещества.
  • Звездное небо и Млечный Путь показывают наличие определенной плоскости, где концентрируются звезды в галактике, как следствие отсюда — выделенное направление оси, вокруг которой галактика вращается. Само существование скоплений означает, что в одних областях пространства (внутри скоплений) плотность больше, а в других (между скоплениями) — меньше.
  • Как примирить, как объединить эти различные свойства Вселенной?
  • Ключ к разрешению противоречия заключается в идее гравитационной неустойчивости.
  • Эту идею высказал еще Ньютон более 300 лет назад. Он отметил, что если на общем фоне однородной плотности где-нибудь есть хотя бы небольшая дополнительная масса, то эта масса будет расти, притягивая к себе остальное вещество.
  • Мы не будем здесь развивать математическую теорию. Ограничимся выводами, которые следуют из этой теории, отметив имена тех, кто ее развил: английский астроном Дж. Джинс (1900 г.), советский физик Е. М. Лифшиц (1946 г., впервые в рамках общей теории относительности), англичане В. Боннор (1958 г.), Дж. Силк (1968 г.), американец П. Пиблс (1970 г.), советские молодые ученые А. Г. Дорошкевич (1967 г.), Г. В. Чибисов (1969 г.).
  • Итак, малые возмущения плотности растут с течением времени, в ходе расширения. Оказывается, что амплитуда возмущений (процентное отличие плотности от средней плотности) возрастает пропорционально расстоянию между частицами или, что то же самое, обратно пропорционально температуре.
  • Значит, возмущения плотности, составляющие 0,1 % при температуре во Вселенной 3000°, достигнут 100% к сегодняшнему дню, когда температура упала приблизительно в 1000 раз, до 2,7°.
  • Это и есть основной факт, значение которого трудно переоценить: перед нами встает картина мира очень упорядоченного, почти однородного в прошлом, но ставшего весьма неоднородным к сегодняшнему дню.
  • Мы выбрали для сравнения с сегодняшним состоянием Вселенной момент, когда температура равнялась 3000°.
  • Этот выбор не случаен. Температура около 3000° является переломной в эволюции Вселенной. Раньше по времени (т. е. когда температура выше 3000—4000°) протоны и электроны свободны, не соединены в атомы. Позже, при более низкой температуре все вещество состоит из нейтральных атомов, а количество свободных электронов ничтожно.
  • В зависимости от состояния вещества (нейтральное или ионизованное) меняется и его поведение.
  • Ионизованное вещество тесно связано с фотонами. Связь с фотонами практически устраняет его гравитационную неустойчивость. Представим себе, что где-то начинает собираться «вещество» (Примеч.- Будем кратко называть протоны, электроны и атомы «веществом». При этом мы не отрицаем вещественность, материальность, объективное существование фотонов.) — плотность его становится выше средней. Вещество увлекает вместе с собой фотоны. В областях повышенной плотности вещества оказывается повышенной и плотность фотонов, выше температура и давление фотонного газа. Избыточное давление фотонного газа (т. е. давление излучения) препятствует дальнейшему собиранию вещества, стремится выравнять плотность. Зато при температуре ниже 3000° после того как завершилось соединение (рекомбинация) протонов и электронов в атомы, эти нейтральные атомы беспрепятственно движутся и собираются в плотные облака. Фотоны практически не взаимодействуют с атомами (средняя энергия фотонов в 10 раз меньше энергии ионизации и энергии возбуждения атома). Отсюда два важных взаимосвязанных следствия:
  • 1) образование плотных облаков вещества (газа, водорода) не сопровождается ни изменением распределения фотонов в пространстве, ни нарушением полной изотопности излучения;
  • 2) фотонный газ, т. е. излучение, оставаясь равномерно распределенным, не препятствует возникновению сгущений, плотных облаков вещества, не препятствует проявлению в полной мере гравитационной неустойчивости вещества.
  • Итак, применительно к последнему периоду эволюции (температура ниже 3000°) теория допускает образование сравнительно плотных облаков газа на фоне невозмущенного излучения. Разрешается важнейшее кажущееся противоречие между весьма неравномерным распределением вещества и чрезвычайно равномерным распределением излучения.
  • Естественно, что здесь опущено большое число деталей, условий, ограничивающих применимость высказанных положений, дополнительных численных множителей и т. п. Это сделано не только потому, что статья рассчитана на читателя, специальность которого, можеть быть, далека от астрономии. Специалисту (не в меньшей степени, чем вообще любознательному человеку) самому необходимо выделить главное в развитии теории, главное движущее противоречие и главные аргументы теории.
  • Какова судьба плотных облаков вещества, получающихся под действием гравитационной неустойчивости?
  • Авторы, перечисленные выше, занимались, как принято говорить, «линейной» теорией возмущений, «линейной» теорией гравитационной неустойчивости.
  • Был получен примечательный результат: на стадии, когда возмущения малы (отличие плотности от средней плотности 0,1, 1 или 10%), закон их пространственного распределения остается с течением времени неизменным. Если где-то в точке A плотность равнялась 1,01 средней, а в точке B — соответственно 0,99 средней, то через некоторое время в точке A будет 1,10, в точке B — 0,90, затем в A будет 1,20, в точке B будет 0,80 средней.
  • Ясно, однако, что эта теория дальше не останется правильной, математик увидит границы теории из уравнений, но и сам результат указывает на ограниченность теории: если возмущения (отличие от единицы) увеличить еще в 10 раз, то в точке A получим +3, но в точке B получим -1, ответ нелепый, плотность не может быть отрицательной. Если отвергнуть -1, то значит под сомнением окажется и величина +3.
  • Теорию, выходящую за рамки малых возмущений, удалось построить лишь в последнее время. Исходным здесь является тот факт, что в нейтральном водороде можно пренебречь давлением газа: давление пропорционально числу частиц, а число атомов в сотни миллионов раз меньше числа фотонов. Между тем фотоны после рекомбинации уже выключались.
  • Что представляет собой газовая динамика, наука о движении газа, в том случае, когда давление газа можно считать малым?
  • Давление передавало силу от одного слоя газа другому, ближайшему. Если давление выключено, то каждый отдельный малый элемент массы газа движется точно так же, как точечная частица с той же массой. Этот элемент движется под действием сил тяготения. С соседями — ближними и дальними — элемент массы связан только гравитационными силами.
  • Характерным для такого движения является возможность столкновения частиц. Возвращаясь к языку газовой динамики, следует сказать, что в газе возникают ударные волны, частицы газа движутся как независимые, пока траектории не пересекаются, а после этого уже неизбежно появляется давление, давление удара.

    Рис. 1

    Рис. 2
  • Возьмем бусинки на струне — наглядный образ одномерного движения по одной координате. Если пара бусинок (рис. 1) находится на расстоянии Dx = x2-x1, их скорости v1 и v2 и разность скоростей Dv = v2 —v1, то они столкнутся между собой по истечении времениТ12 = -(Dx/Dv). Обратите внимание на знак минус, это не опечатка. Для того чтобы столкновение произошло в будущем, нужно, чтобы скорость передней бусинки была меньше скорости задней. При этом x2x1, v2<v1, Dx>0, Dv<0,тогда Dx/Dv<0 и получим T12 — величина положительная.
  • Если задан целый набор бусинок (рис 2), то можно определить ту пару, которая столкнется первой, —это те бусинки, для которых T12 минимально, а для этого нужно, чтобы в начальном распределении скоростей градиент скорости dr/dx был отрицательным по знаку и максимальным по абсолютной величине.
  • Само расстояние и разность скоростей этих бусинок малы — тем меньше, чем больше бусинок на струне. Первая пара даже не сталкивается, а скорее нежно сближается.
  • Однако позже происходит явление, подобное тому, которое, к несчастью, бывает на автострадах в тумане: следующие бусины наталкиваются на первые сблизившиеся со все возрастающей скоростью и силой — эдакая «куча мала», столкновение многих автомашин (рис. 3).


    Рис. 3

  • В задаче об образовании галактик нет струны или автострады, направляющей движение бусинок: частицы — атомы газа — движутся в пространстве по всем трем осям одновременно. К тому же они движутся не с постоянной скоростью по инерции, а под действием силы тяготения. И тем не менее математический анализ показывает, что многие черты, характерные для бусинок на струне, остаются в силе и в более сложной задаче. Разность скоростей соседних частиц зависит (и по величине, и по направлению) от того, где взята заданная пара частиц и как выбрано направление соединяющего их отрезка.
  • В задаче со статистически (хаотически) заданными начальными возмущениями есть области, где частицы разлетаются во все стороны. Однако в большей части объема можно выбрать такое направление вектора D x (отрезка, соединяющего две частицы), для которого Dv (разность скоростей) направлена в противоположную сторону, т. е. частицы догоняют одна другую, сближаются с течением времени, не уклоняясь вбок и не избегая столкновения.
  • В других направлениях, как правило, сближение происходит медленнее или вообще не происходит, другие (иначе выбранные) пары частиц удаляются друг от друга.
  • В хаотическом начальном распределении скоростей есть такая пара частиц, которая сталкивается раньше всех других.
  • Возникает уплотнение, появляется маленькая область высокой (по сравнению с окружающим газом) плотности. Область эта растет вширь, потому что вскоре сталкиваются между собой соседние частицы, кроме того, область утолщается — новые частицы ударяют в те, которые столкнулись раньше. Выше мы писали, что в пространственной трехмерной задаче для каждой частицы существует свое выделенное направление наиболее быстрого сжатия. Поэтому сжатие носит характер образования тонкой, почти плоской, уплотненной области; в нашей исследовательской группе эти сжатые области кратко называются блинами. Структура их такова, что в средней плоскости блина находится холодный плотный газ (заштрихован на рис. 4, изображающем разрез блина), а сверху и снизу (Примеч.- Условно считаем, что плоскость, в которой лежит блин, горизонтальна.) — более горячий газ.


    Рис.4
  • До сих пор мы не упоминали о роли тяготения. Роль эта существенна при рассмотрении всего процесса возрастания плотности от момента образования атомов до появления блинов.
  • В момент образования атомов весьма вероятно, что везде и во всех направлениях происходит расширение. «Возмущения» идеальной теоретической картины всеобщего расширения малы, они сводятся к тому, что где-то расширение происходит чуть быстрее, а где-то чуть медленнее, чем в среднем. Это различие приводит к различию плотности, здесь вступает в действие сила тяготения. Различие скоростей расширения увеличивается. Именно тяготение приводит к тому, что на более позднем этапе уже в значительной части объема расширение сменяется сжатием: выше уже рассказано, что такое гравитационная неустойчивость. Без этого (при движении по инерции) общее расширение не смогло бы смениться сжатием.
  • С другой стороны, на последнем этапе, когда сжатие приводит к столкновению частиц и образованию блина, роль тяготения невелика, за короткое время столкновения сила тяготения мало меняет скорость, не меняет картину явления качественно. Более важно влияние тяготения на последующую судьбу блина: благодаря тяготению сжатый газ не разлетается, а остается гравитационно связанным, превращается с течением времени в скопление галактик. Отсюда научное название блина — «протоскопление галактик».
  • Долгое время камнем преткновения теорий, основанных на гравитационной неустойчивости, оставалось объяснение вращения галактик. В этой картине движение вещества складывается из всеобщего расширения и движения под действием сил тяготения. Оба этих слагаемых не содержат вращения, или, как принято говорить, являются «безвихревыми».
  • Но галактики обладают вращательным движением. Не означает ли это, что надо обязательно допустить наличие изначального вращательного движения? Оказывается, что в теории блинов есть основания ожидать возникновения вращения при сжатии газа ударной волной, когда газ подвергнется столкновению. На это обратил внимание А. Г. Дорошкевич (а раньше в несколько иной ситуации А. Д. Чернин).
  • Решительной проверкой всей концепции было бы обнаружение радиоизлучения от блинов вскоре после их образования. Позже блины-протоскопления должны распадаться на отдельные облака меньшей массы — протогалактики, а те, в свою очередь, на звезды. Количество свободного атомарного водорода при этом уменьшается, должно ослабнуть специфическое излучение атомов. Одновременно возникнут радиоисточники, излучающие, однако, совершенно другой спектр радиоволн. Возможность проведения трудных радиоизмерений, позволяющих выделить вклад атомарного водорода, обсуждается в настоящее время.
  • Итак, есть определенная концепция, описывающая эволюцию Вселенной. Исходным является состояние с малыми начальными возмущениями, результатом — наблюдаемое в настоящее время состояние.
  • Построение теории похоже на палеонтологию: задача состоит в воссоздании прошлого по сведениям, непосредственно относящимся к настоящему. Такие задачи часто (слишком часто!) оказываются неразрешимыми или разрешимыми только частично. Применительно к космологии естественный вопрос состоит в следующем: можно ли утверждать с определенностью, что начальное состояние было весьма упорядоченным? Нельзя ли предположить, что существовали возмущения малого масштаба (коротковолновые), но большой амплитуды, которые были стерты под действием вязкости ионизованного газа (плазмы) еще раньше, чем наступила эра действия гравитационной неустойчивости?
  • Если бы наблюдения ограничивались классическими измерениями светимости галактик и их распределением по небу, такую возможность нельзя было бы отрицать. Однако есть еще и законы физики — теория электромагнитного излучения во Вселенной, теория ядерных реакций на ранней стадии эволюции, общая теория относительности. Оказывается, что мелкомасштабные возмущения затухают и не оставляют следа в распределении плотности, но существенно меняют спектр радиоизлучения. Отсутствие таких изменений в наблюдаемом спектре означает, что прошлое Вселенной, как это ни странно, близко к идеализированной картине.
  • Почему так принципиально важен вопрос о том, возникло ли вращение на поздней стадии или, может быть, уже в ионизованной плазме имело место вращательное движение? Дело в том, что, прослеживая вращательное движение в прошлом, мы обязательно натыкаемся на период, принципиально отличающийся от идеализированного решения; при этом пришлось бы отказаться от важных достижений теории горячей Вселенной (от теории ядерных реакций и синтеза атомных ядер). Первичные вращательные движения в большом масштабе не согласуются и с одинаковостью реликтового излучения во всех направлениях.
  • Те возмущения плотности и связанные с ними движения, которые приводят к образованию блинов, не обладают этими неприятными свойствами.
  • Итак, теория образования отдельных галактик, интересная сама по себе, оказывается связанной с еще более глубоким и принципиальным вопросом о прошлом всей Вселенной. Как говорят астрофизики, речь идет о сингулярном состоянии Вселенной. Полный хаос или почти полная упорядоченность — так стоит вопрос. Возвращаясь к началу статьи, следует сказать: можно гордиться уже тем, что этот вопрос стал предметом научного изучения, намечены те исследования и наблюдения, которые позволят вырвать у природы обоснованный ответ.


    ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ МЕЛЬНИКОВ — астроном, член-корреспондент АН СССР заместитель директора Главной астрономической обсерватории АН СССР в Пулкове, профессор математико-механического факультета ЛГУ. Основная область деятельности — астрономическая спектроскопия, физика Солнца, межзвездной среды и переменных звезд, астрономическое приборостроение, история астрономии.


    АЛЕКСАНДРА НИКОЛАЕВНА ГЕРАЩЕНКО — астроном, кандидат физико-математических наук, сотрудница группы больших астрономических инструментов Главной астрономической обсерватории АН СССР в Пулкове. Занимается вопросами эффективности телескопов, а также ослабления света межзвездной средой.

    МЕЛЬНИКОВ О. А., ГЕРАЩЕНКО А. Н.
    ПЫЛЬ И ГАЗ В НАШЕЙ ГАЛАКТИКЕ

  • В настоящее время хорошо известно, что пространство между звездами не является вакуумом, а содержит значительное количество вещества (правда, такой большой степени разреженности, которая недостижима в земных лабораториях; его плотность порядка 10-24 г/см3) в форме газа и пыли, различного рода электромагнитные излучения, магнитные поля и т. д. Для характеристики количества вещества (в форме газа и пыли), рассеянного между звездами, достаточно сказать, что в части Галактики, включающей Солнце и ближайшие к нему звезды, его масса близка к суммарной массе звезд.
  • Перечислим другие (помимо газа и пыли) основные составляющие межзвездной среды.
  • 1. Суммарное излучение звезд и других объектов. Плотность этого излучения очень низка — порядка 7·10-13 эрг/см3, а цвет (или «цветовая» температура) белый, соответствующий температуре T@10000 K.
  • 2. Фоновое реликтовое (т. е. сохранившееся от далеких времен образования Метагалактики) излучение. Оно обнаружено в 1965 г. в радиодиапазоне.
  • 3. Космические лучи — высокоэнергетические частицы и электроны (с энергией 108 —1018 эВ).
  • 4. Магнитные поля (Примеч.- О структуре Галактики и ее спиральных рукавов, магнитных полях и эффекте Зеемана (зеемановское расщепление) см. статью С. Б. Пикельнера «Спиральные ветви галактик и их магнитные поля» во втором выпуске ежегодника «Будущее науки». (1968 г.,) с. 124-143.) в межзвездном пространстве. Их существование было предсказано в 1937 г. X. Альвеном (Швеция), а затем обосновано в связи с изучением космических лучей, межзвездной поляризации излучения звезд и т. д. Прямые измерения магнитных полей по зеемановскому расщеплению линии водорода на длине волны 21 см, а в последнее время и на основании изучения пульсаров дают в среднем по Галактике величины напряженности этих полей порядка 10-6 Э. В спиральных рукавах Галактики поле несколько больше и еще больше в плотных межзвездных облаках.
  • 5. Особые многочисленные области пространства (называемые нулевыми флуктуациями вакуума), в которые может втекать и из которых может вытекать та или иная энергия.
  • Всестороннее изучение всех компонентов межзвездной среды очень важно с многих точек зрения. Нас интересует, каково их происхождение и дальнейшее развитие. Является ли межзвездная среда реликтовой или же она продукт развития различных типов населения Галактики? В качестве примера последнего можно было бы считать, что пылевая составляющая образовалась в результате дробления более крупных тел, а газовая — выброса из звезд и других объектов Галактики. Известная доля излучения (в основном в радиодиапазоне), а возможно, и первичное магнитное поле являются реликтовыми. Изучение межзвездной среды представляет огромный интерес и с точки зрения эволюции Галактики, и для разработки теорий ее строения.
  • Уровень наших знаний о каждом из компонентов межзвездной среды весьма неравнозначен. Наименее изучены межзвездное электромагнитное излучение, первичные космические лучи (Примеч.- Их интенсивное изучение стало возможным в связи с запуском различных космических аппаратов за атмосферу Земли.), магнитные поля. Несомненно гораздо больше данных было собрано и объяснено по физике межзвездного газа. В какой-то мере это относится и к межзвездной пыли, однако здесь согласие с теоретическими расчетами менее определенное. До сих пор нельзя с уверенностью сказать, что представляют собой пылинки.
  • Все компоненты межзвездной среды составляют единую взаимосвязанную систему, но в дальнейшем мы расскажем лишь о двух компонентах: газе и пыли. При этом для простоты изложения рассмотрим их отдельно.

    Межзвездная пыль. Общее поглощение

    (Примеч.- Этот термин чисто традиционный. Точнее следовало бы сказать «ослабление», так как последнее учитывает физические процессы как рассеяния, так и истинного поглощения.)
  • Скопления пыли в Галактике, ослабляя свет звезд, хорошо видны на фотографиях Млечного Пути в виде темных пятен, волокон, струй и т. д. Пылевая составляющая межзвездной среды не превышает 1—2% массы вещества, рассеянного между звездами, но ее роль в процессах, происходящих в межзвездном пространстве, велика. В связи с этим можно указать на возможное участие пыли в образовании звезд, а также межзвездных молекул. Следует иметь в виду, что межзвездная пыль является еще и досадной помехой в астрономических исследованиях. Она заметно ослабляет и поляризует излучение звезд и других объектов, т. е. изменяет его количественно и качественно.
  • До 30-х годов нашего столетия межзвездное пространство считалось полностью прозрачным, несмотря на то, что отдельные указания на межзвездное ослабление света появлялись и в XVIII и в XIX в. В первой половине XIX в. основатель Пулковской обсерватории В. Я. Струве при анализе звездных подсчетов (число звезд в единице объема), намного опередив свое время, выдвинул гипотезу об ослаблении света в «небесном пространстве». Более того, он оценил величину этого ослабления, которая составляла (в астрономических единицах измерения яркости или блеска звезд) 0,6 звездной величины на 1000 пс (пс — парсек, 1 пс = 3·1013 км). Эта величина весьма близка к современным оценкам среднего поглощения в Галактике.
  • В 30-е годы нашего столетия было убедительно доказано наличие общего поглощения излучения звезд, обусловленного пылевой составляющей межзвездной среды. Общее поглощение — это полное ослабление света звезды (в определенном участке спектра), которое выражается в звездных величинах.
  • Обнаружение Э. Хабблом (США) «зоны избегания», т. е. такой области нашей Галактики, в направлении на которую почти не наблюдаются другие галактики, а также многочисленные исследования общего поглощения в различных направлениях и на разных расстояниях позволили установить, что пыль расположена почти везде около плоскости галактического экватора и сильно концентрируется к нему. Толщина пылевого слоя, симметричного относительно экватора, около 200 пс со средней плотностью пыли около 10-26 г/ см3. Среднее поглощение в таком однородном слое должно составлять около 1 звездной величины на расстоянии в 1000 пс. В действительности же величина поглощения может изменяться в зависимости от направления в пространстве от 0,5 до 4 звездных величин на 1 кпс и более. Это говорит о том, что пыль в этом слое распределена неравномерно.
  • Применение статистических методов изучения общего поглощения, предложенных В. А. Амбарцумяном (СССР), привело к выводу, что пыль в основном сосредоточена в облаках со средним размером 5 пс и поглощением в каждом из них около 0,2 звездной величины. Между облаками поглощение мало. Облака расположены в основном в рукавах (или спиральных ветвях) Галактики. Облака, значительно различающиеся по размерам, могут образовывать мощные комплексы поглощающей материи (такие, что наблюдаются в созвездиях Ориона и Тельца) общей протяженностью в сотни парсек. С другой стороны, наблюдаются и очень маленькие, плотные образования пыли, которые названы глобулами и видны обычно на фоне ярких диффузных туманностей. Размеры наибольших из них достигают 0,5 пс. Наибольшее же поглощение наблюдается в наименьших из них и доходит до 5 звездных величин и более. Некоторые исследователи рассматривают глобулы как зарождающиеся звезды (протозвезды), хотя такая интерпретация встречается с большими трудностями.

    Избирательное ослабление света

  • Одним из важнейших свойств межзвездного ослабления излучения звезд является его избирательность, возникающая из-за зависимости ослабления от длины волны (закон межзвездного ослабления излучения). Качественно этот закон был установлен в 1909 г. Г. А. Тиховым. Согласно этому закону ослабление увеличивается с уменьшением длины волны, поэтому далекие звезды кажутся более красными, чем близкие звезды того же спектрального класса.
  • Надо заметить, что из наблюдений нам гораздо проще определить различие (разность) поглощений для двух длин волн, нежели общее поглощение в некоторой конкретной длине волны. Поэтому в законе фигурирует не общее поглощение, а указанная разность (причем вычитаемое поглощение берется для фиксированной длины волны).
  • Закон дает определенное указание на природу ослабляющих свет частиц. К сожалению, из-за того что закон характеризует разности ослаблений в двух длинах волн, в нем не содержится информации о нейтральном, т. е. не зависящем от длины волны, ослаблении, которое могут производить либо большие (по сравнению с длиной волны) частицы пыли, либо электроны. Однако косвенные данные указывают на то, что это ослабление не может быть большим.
  • Уже в первых работах по изучению закона межзвездного ослабления, охватывающих небольшой участок спектра, было показано, что ослабление обратно пропорционально длине волны (l), т. е. справедлива линейная зависимость от l-1. По мере расширения рабочего участка спектра (что в основном связано с прогрессом приемников излучения) выяснилось, что этот закон является лишь некоторым приближением к истинному изменению ослабления излучения с длинной волны. В частности, в интервале 3,О мкм-1ЈlЈ-11,0 мкм-1 выполняется закон l-1, но с небольшим изменением коэффициента пропорциональности около l=2,3 мкм-1. Но особенно значительные отклонения от закона l-1 наблюдаются в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Примечательна в этом отношении ультрафиолетовая часть спектра. Здесь около l-1= 4,6 мкм-1 расположен интенсивный скачок в поглощении.
  • Законы межзвездного ослабления для различных участков неба почти одинаковы. Этот вывод, как указывал Г. Ван де Хюлст (Голландия), имеет большое значение для универсальности теории образования, роста и эволюции межзвездных пылинок. Уклонения же могут привести к заключению о специфике природы и эволюции межзвездной пыли в некоторых областях Галактики.
  • Первой областью неба, для которой были обнаружены существенные отклонения в законе, была туманность в созвездии Ориона (область ионизованного водорода HII (Примеч.- Римские цифры около символа химического элемента обозначают состояние ионизации: I -нейтральный элемент, II -однажды ионизованный.) с примесью пыли). В дальнейшем аналогичные отклонения были обнаружены еще для ряда областей HII. Для них характерно значительно меньшее (по сравнению с другими областями Галактики) ослабление излучения в ультрафиолетовой части спектра, что теоретически можно объяснить тем, что частицы пыли, ответственные за ослабление излучения в HII областях, имеют в среднем большие размеры. Решающую роль в таком перераспределении размеров частиц В. Бааде и Р. Минковский (США) отдают давлению излучения горячих звезд, «выметающему» из областей HII мелкие частицы.
  • Кроме того, небольшие изменения с галактической долготой обнаруживает коэффициент пропорциональности около l-1= 2,3 мкм-1. Интерпретация этого явления будет дана в конце следующей главы.

    Межзвездная поляризация излучения звезд

  • Одним из проявлений ослабления излучения в межзвездном пространстве является также поляризация излучения далеких звезд с заметным покраснением (величина межзвездной поляризации не превышает 8—10%). Плоскость преимущественных колебаний электрического вектора в широком интервале галактических долгот ориентирована параллельно экватору Галактики. Однако там, где луч зрения идет вдоль спирального рукава (созвездие Лебедь), плоскости преимущественных колебаний для различных звезд оказываются распределенными хаотически. В этих направлениях мала и величина самой поляризации.
  • У звезд, блеск которых не ослаблен из-за межзвездного поглощения, поляризация почти не наблюдается (Примеч.- Небольшая остаточная поляризация иногда приписывается самим звездам и околозвездным оболочкам.). Излучение звезд с заметным покраснением более или менее поляризовано, причем максимальная величина поляризации, возможная при данном ослаблении излучения, пропорциональна (с коэффициентом в визуальной области 0,06) этому ослаблению. Плоскости преимущественных колебаний больших групп звезд ориентированы приблизительно одинаково. Все эти факты свидетельствуют в пользу межзвездной природы поляризации света звезд. Но в некоторых случаях собственная поляризация излучения звезд является бесспорной и выделение межзвездной поляризации представляет трудную задачу.
  • Качественно поляризация может быть объяснена рассеянием излучения на удлиненных частицах, которые вращаются вокруг своих коротких осей и плоскости вращения которых (т. е. плоскости, содержащие вращающиеся большие оси частиц) однообразно ориентированы. При этом сильнее рассеивается свет, электрический вектор которого параллелен плоскости вращения частицы. Наблюдения указывают на то, что эти плоскости должны быть ориентированы в среднем перпендикулярно экватору Галактики (или ее спиральному рукаву). При наблюдении вдоль рукава плоскости вращения частиц перпендикулярны лучу зрения и большие оси ориентированы хаотично. Следовательно, величина поляризации должна быть малой. В направлениях, перпендикулярных рукаву Галактики (созвездие Персея), луч зрения идет параллельно плоскости вращения частицы, что создает наибольшую поляризацию.
  • Решающая роль в ориентации плоскостей вращения частиц, по-видимому, принадлежит магнитному полю. Наиболее вероятный механизм ориентации, предложенный Л. Девисом и Д. Гринстейном (США), заключается в явлении парамагнитной релаксации. Пусть малая удлиненная диэлектрическая частица содержит небольшие вкрапления металлического вещества, которые придают ей слабые магнитные свойства. Под действием столкновений с атомами газа частица приходит в быстрое вращение, естественно, вокруг оси, перпендикулярной ее большой оси. Если ось вращения составляет угол с магнитным полем, то возникает тормозящий момент, поворачивающий частицу, так что ее ось вращения располагается вдоль, а большая ось — перпендикулярно полю. Эта теория подтвержается общим характером межзвездной поляризации, если магнитное поле направлено вдоль рукава.
  • Однако приобретенная ориентация нарушается из-за случайных столкновений с атомами газа. Для появления устойчивой ориентации частиц необходимо определенное соотношение между магнитными свойствами частицы и напряженностью магнитного поля, с одной стороны, и плотностью и температурой газа — с другой. В условиях газовых облаков напряженность магнитного поля Галактики, необходимая для возникновения устойчивой магнитной ориентации, должна быть порядка 10-5 Э. Эта величина согласуется с другими оценками напряженности магнитного поля.
  • Ориентация частиц не только вызывает поляризацию, но и влияет на характер покраснения звезд. Так как ослабление излучения зависит от угла между лучом зрения и большой осью частицы (точнее плоскостью вращения частицы), то следует ожидать различных законов ослабления при наблюдении вдоль и поперек спирального рукава. В частности, для звезд в созвездии Лебедя (вдоль) должно быть больше ультрафиолетовое поглощение, чем для звезд в созвездии Персея (поперек), что качественно подтверждается наблюдениями.

    Природа межзвездных частиц

  • Для выяснения природы межзвездных частиц необходимо учитывать как наблюдательные факты, связанные с разнообразными проявлениями свойств пылинок, так и теоретические гипотезы, объясняющие возможность их роста и существования в межзвездной среде.
  • Закон l-1 ослабления света звезд в видимой области спектра указывает на то, что в межзвездном пространстве преобладают либо диэлектрические частицы с размером порядка длины волны этого диапазона (l), либо металлические — много меньшие l. Частицы иных размеров, согласно теории ослабления излучения малыми частицами, не удовлетворяют наблюдениям. Действительно, частицы с размерами, большими l, ослабляют излучение нейтрально, т. е. независимо от длины волны. Диэлектрические же частицы, меньшие длины волны, рассеивают излучение пропорционально l-4.
  • Наличие диффузного излучения в Галактике и сравнительно большая яркость пылевых туманностей приводят к заключению, что отражающая способность (альбедо) частиц не мала. Металлические же частицы обладают малым альбедо (это связано с тем, что металлы и поглощают и рассеивают свет, в то время как чистые диэлектрики только рассеивают его). О малой вероятности существования чисто металлических частиц говорит и малая распространенность металлов в Галактике.
  • Если исходить из распространенности химических элементов в межзвездном пространстве, считая ее аналогичной солнечной, — а самые распространенные элементы в Солнечной системе это водород и кислород, — то наиболее вероятна «ледяная» модель межзвездной частицы. Основу межзвездных частиц в этой модели составляют молекулы воды, недавно обнаруженные радиоастрономами в свободном состоянии. Молекулы и атомы менее распространенных элементов входят в состав частицы как малые примеси. Она представляет собой, по-видимому, довольно рыхлый конгломерат кристаллов неправильной формы. Механизм образования таких частиц в настоящее время нельзя считать удовлетворительно разработанным. Основная трудность возникает здесь при объяснении первого этапа образования в межзвездном газе двухатомных и более сложных молекул, которые могут служить в дальнейшем ядрами конденсации.
  • В связи с этой проблемой в последнее время обращают внимание на атмосферы и околозвездные оболочки холодных звезд, физические условия в которых более благоприятны для образования молекул. Получены убедительные доказательства наличия околозвездных оболочек пыли. Об этом говорит открытие молодых горячих звезд, названных «коконами», которые окружены оболочками пылевых частиц и излучают поэтому в инфракрасной области (остальное видимое излучение с меньшей длиной волны поглощается). По-видимому, эти оболочки состоят из вещества, не использованного в процессе образования самой звезды. С точки зрения теории в случае холодных звезд возможно образование в атмосферах углеродных звезд графитовых частиц, а титановых звезд класса M — силикатных. Образовавшиеся частицы выбрасываются из атмосферы звезды давлением ее излучения в межзвездную среду, где могут расти за счет оболочек из различных замерзших молекул: «загрязненного льда» или твердого водорода (H2). Вероятность образования оболочек из молекулярного водорода все же мала из-за сравнительно высокой температуры пылинок даже в плотных облаках. Согласно теоретическим оценкам температура пылинок в зависимости от их состава в средних условиях межзвездной среды может принимать значения 10—100 K. В плотных же облаках температура пылинок может быть немного ниже 10 K.
  • Весьма важные заключения о химической природе частиц, их размерах и форме следуют из детального сравнения наблюдательных данных (т. е. закона межзвездного ослабления и спектральной зависимости поляризации) с результатами теоретических расчетов для частиц определенного состава. Оказалось, что ни одна модель частицы не может полностью удовлетворить наблюдениям. Модель «ледяных» частиц удлиненной формы в общем (правда, довольно грубо) соответствует закону ослабления. Однако она не дает скачка поглощения около l-1 = 4,6 мкм-1. Более того, такие частицы должны иметь интенсивную полосу поглощения в инфракрасной области около l-1 = 0,3 мкм-1, которая в действительности не наблюдается в покрасневших звездах. Наблюдаемая кривая поляризации (зависимость поляризации от длины волны) имеет плоский максимум в красной части, а затем убывает в оба конца спектра. При общем совпадении теоретической и наблюдаемой кривых расчеты дают более пологое уменьшение поляризации, чем это следует из наблюдений.
  • Графитовые частицы с размерами в 2 раза меньше ледяных хорошо соответствуют закону ослабления, включая скачок около l-1 = 4,6 мкм-1. Однако положение последнего несколько смещено по сравнению с наблюдаемым, а за скачком (в ультрафиолетовой области) ход ослабления совершенно не соответствует наблюдениям; графитовые частицы указанных размеров дают иную, чем наблюдения, кривую поляризацию.
  • Силикатные частицы, наличие которых в межзвездной среде подтверждается полосами поглощения (за счет пыли в околозвездной оболочке) около 10 мкм в спектре поздних сверхгигантов, показывают хорошее соответствие наблюдениям. Это относится и к положению и форме скачка. Однако другие оптические свойства силикатных частиц еще не изучены в достаточной мере, и поэтому мы не можем делать окончательных выводов.
  • Большой вклад в изучение межзвездных частиц дают лабораторные исследования. Они позволяют уточнить теорию ослабления излучения в тех ее областях, где еще не разработаны точные методы расчетов. Это касается в первую очередь теории несферических (в частности, удлиненных) частиц. Очень эффективным оказался здесь метод микроволновых аналогов, который основан на том, что оптические свойства малых частиц в оптической области спектра аналогичны таковым крупных тел в радиодиапазоне, если при этом сохраняется постоянным отношение размера частицы к длине волны.
  • Другое направление лабораторных работ — исследование ослабления излучения комплексов малых частиц (определенных размеров, формы и химического состава), взвешенных в некоторой нейтральной среде. Из сравнения полученных данных с результатами теоретических расчетов можно делать заключения о влиянии формы частиц или вида связи между ними на поглощение излучения, о границах применимости теории.
  • Зная размеры частиц, ослабляющих излучение звезд в межзвездном пространстве, и довольно грубо их состав, можно оценить плотность пыли. В случае диэлектрических частиц средняя их плотность около экватора Галактики равна 10-26 г/см3, в областях же эта величина должна быть на порядок больше.
  • Кроме нейтральных пылевых частиц, ослабляющих излучение по классическим законам, в последнее время рассматриваются также большие молекулярные комплексы, состоящие из радикалов и ионов. Такие частицы могут возникать при конденсации молекул (например, в звездных атмосферах), которые связаны между собой, вероятней всего, химической связью. Размеры их малы, порядка 10-7 см. Молекулярные комплексы имеют незаполненные энергетические уровни. Ослабление излучения такими частицами состоит в направленном поглощении квантов (при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой) и последующем их переизлучении. Эти вопросы в настоящее время активно изучаются теоретически и экспериментально. Если эта гипотеза окажется верной, то это будет означать, что в межзвездной среде пыли существенно меньше, нежели мы предполагаем теперь, ибо молекулярные комплексы обладают большей поглощательной активностью по сравнению с нейтральной пылью.

    Межзвездный газ. Межзвездные линии атомов в спектрах небесных объектов

  • Если пылевая межзвездная материя обнаруживает себя по непрерывному ослаблению на всех частотах излучения звезд, то газовая — по ослаблению в спектральных линиях (в спектре звезды появляются линии поглощения, а иногда и излучения.) В межзвездной среде оказалось большое количество атомов и молекул различных газов. Поражает разнообразие обнаруженных молекул от простейших двухатомных до многоатомных.
  • Первые линии межзвездного газа были обнаружены случайно при обработке немецким ученым И. Гартманом спектрограмм спектрально-двойной звезды Дельта Ориона. Подобные звезды почти не изменяют свой блеск, только их спектральные линии периодически смещаются. Происходит это потому, что две звезды (компоненты спектрально-двойной), помимо осевого вращения, обращаются вокруг общего центра масс. В результате каждый компонент изменяет свою скорость по отношению к наблюдателю, а соответствующие спектральные линии испытывают (за счет эффекта Доплера) периодические смещения. Однако в ультрафиолетовой области спектра звезды были обнаружены две линии поглощения, которые занимали неизменное положение. Эти линии были отождествлены с линиями H и K ионизованного кальция и первоначально считались околозвездного происхождения. Позже, когда было доказано, что такие стационарные линии тем интенсивнее, чем дальше звезда, стало очевидным их межзвездное происхождение.
  • С тех пор в спектрах звезд обнаружены межзвездные линии поглощения многих других атомов и в первую очередь желтые линии натрия (D1 и D2), а также широкие линии неизвестного происхождения. Список обнаруженных атомов был значительно расширен с началом внеатмосферных наблюдений (например, на ракетах) в далекой ультрафиолетовой области, невидимой с Земли
  • Линии H, K CaII и D1, D2 NaI называются резонансными. Они возникают при переходах атома из состояния с самой низкой энергией в ближайшее следующее (т. е. при переходах из основного уровня). Для образования линии поглощения H и K требуется энергии всего около 3, а для D1 и D2 — 2 электровольт. Достаточно на слабое пламя насыпать немного соли, как в его спектре легко обнаруживаются линии натрия D1 и D2. В приморских районах особенно после шторма в спектрах электрических дуг и искр, возникающих, например, между чисто железными электродами, тоже наблюдаются линии натрия D1 и D2. Наличие межзвездных резонансных линий в спектрах звезд говорит о том, что из-за низкой плотности газа и излучения в межзвездном пространстве практически все атомы и ионы находятся на основном уровне.
  • Большинство линий межзвезного газа было обнаружено в спектрах не спектрально-двойных звезд, а удаленных горячих звезд спектральных классов О и В. Спектрально-двойные звезды не всегда оказываются подходящими для подобных наблюдений, так как собственные линии в их спектрах зачастую налагаются на межзвездные линии. В атмосферах горячих звезд многие элементы, обнаруженные в межзвездном газе, сильно ионизованы и поэтому не дают соответствующих линий.
  • Межзвездные линии отличаются от звездных тем, что они много слабее и резче последних (из-за низкой температуры газа) и имеют иной сдвиг, обусловленный вращением нашей Галактики (эффект Доплера). Исследование показало, что сдвиги межзвездных линий примерно в 2 раза меньше звездных. Это связано с тем, что межзвездный газ расположен хотя и неоднородно (о чем будет сказано ниже), на всем протяжении от наблюдателя до звезды и в среднем межзвездная линия возникает на половине расстояния до звезды. Поэтому ее сдвиг почти в 2 раза меньше, чем сдвиг звездной линии.
  • Наблюдения показали, что полная интенсивность межзвездной линии растет не только с плотностью газа, но и с расстоянием до звезды. Поскольку покраснение звезд, обусловленное межзвездной пылью, также растет с расстоянием, то из этого факта может вытекать, что интенсивность межзвездных линий и избирательное поглощение взаимосвязаны. Однако на практике оказалось, что в случае межзвездных линий известного происхождения взаимосвязь достаточно слабая. Для широких же линий неизвестного происхождения зависимость достаточно четкая. Это указывает либо на различную природу линий, либо же на различное распределение в пространстве межзвездного вещества, с которым связано их происхождение. В дополнение к линиям поглощения в межзвездной среде могут образовываться линии излучения водорода, гелия и других элементов. Эти излучения имеют другую природу: они возникают в газовых туманностях или близ горячих звезд.
  • Величайшей заслугой радиастрономии является обнаружение (1951 г.) излучения водорода на длине волны 21 см. Это основной способ непосредственного наблюдения нейтрального водорода в межзвездном пространстве.
  • Происхождение этой линии обусловлено особым взаимодействием электронной оболочки атома с его ядром (иначе сверхтонкой структурой основного состояния). Для земных условий соответствующий переход запрещен в том смысле, что вероятность перехода с верхнего состояния в ближайшее нижнее очень мала. На возможность такого перехода в условиях межзвездной среды указал в 1945 г. Ван де Хюлст, а соответствующие условия возникновения излучения были исследованы в 1948 г. И. С. Шкловским (СССР). Оказалось, что, несмотря на крайнюю редкость (один раз в 107 лет) изменений в атоме водорода, приводящих к излучению в этой линии, она все же может наблюдаться. Проведенные в дальнейшем исследования нейтрального водорода на длине волны 21 см дали много ценных сведений о спиральной структуре Галактики, физических свойствах межзвездного газа и т. д.
  • В некоторых случаях, когда через газ проходит мощное радиоизлучение с непрерывным спектром, названная линия наблюдается в поглощении. Однако возможности исследования этой линии ограничены (например, по расстояниям).
  • Ранее считалось, что атомы межзвездного газа распространены в основном около экватора Галактики, но С. Б. Пикельнер (СССР) и другие ученые установили, что в меньшем количестве они имеются и вдали от него.
  • При наблюдении спектров далеких звезд с большим разрешением В. Адамс (США) обнаружил, что межзвездные линии H и K CaII расщепляются на компоненты. Это расщепление пока что можно объяснить только облачной структурой межзвездного газа. При этом оказалось, что различные облака с размером от нескольких сотых до 15 пс и более движутся с различными скоростями. Плотность газа в облаках близка к 10 атомам водорода на 1 см3, кинетическая температура газа около 100 К. В околозвездных облаках горячих звезд она значительно выше, около 10000 К. Между облаками плотность газа не превышает 0,1 атома водорода на 1 см3, но кинетическая температура выше, чем в облаках. Облака занимают около 5% объема Галактики.
  • Закон распределения скоростей межзвездных облаков (он близок к случайному распределению с максимумом около 8—10 км/с) может быть объяснен «турбуленцией» этих облаков. Здесь заключена одна из интересных проблем на будущее, ибо согласно теории турбулентные неоднородности в данном случае должны двигаться хаотически, но так, чтобы отдельные атомы не сталкивались бы друг с другом, — в противном случае температура газа повысилась бы, что не наблюдается.
  • В межзвездном газе отношение числа атомов различных химических элементов к числу атомов водорода (так называемая относительная распространенность химических элементов) почти такое же, как и для нормальных звезд (например, Солнца). Но по ряду причин (неполнота наблюдательных данных и др.) получение точных количественных характеристик — это задача будущего.
  • Из анализа интенсивностей линий тех элементов, которые наблюдаются в двух состояниях ионизации, можно определить концентрацию электронов в облаках межзвездного газа. Это, в свою очередь, позволяет судить о степени ионизации в них водорода и других элементов. Средняя оценка плотности свободных электронов (около 5·10-3 см-3) указывает на то, что водород в областях в основном находится в неионизованном состоянии.

    Межзвездные молекулярные «полосы»

  • Спектры молекул (Примеч.- Подробнее о спектрах и методах их исследования см. в статье И. Ковача «Молекулярная спектроскопия» в этом же выпуске ежегодника. — Ред.) имеют очень сложную полосато-линейчатую структуру. Однако исследования в лабораториях показали, что при очень низких температурах она вырождается в более простую, а иногда даже в отдельные линии. Именно таковы температуры в межзвездной среде, и поэтому межзвездные молекулы можно наблюдать по отдельным линиям.
  • Впервые следы межзвездной молекулы в спектрах звезд (в видимой области) обнаружил Т. Данхем (США), а П. Свингс (Бельгия) идентифицировал ее с простейшим углеводородом CH.
  • В спектрах звезд наблюдаются и другие межзвездные линии этой молекулы, точнее «свободного радикала» (неустойчивый «осколок» молекулы метана CH4, перед которой могут образовываться последовательно CH, CH2 и CH3). В условиях межзвездной среды свободный радикал CH является «устойчивым». Надо заметить, что проблема получения устойчивых свободных радикалов сложных молекул в земных условиях — одна из насущных практических задач науки.
  • Кроме молекулы CH, в межзвездной среде по линиям, расположенным в ультрафиолетовой части спектра, были обнаружены еще две молекулы: CH+ и CN.
  • Молекулярные межзвездные линии слабы, но наблюдаются во многих звездах, что говорит о большой распространенности молекул. На основе анализа наблюдательных данных по межзвездным атомам, молекулам и пыли было показано, что эти составляющие межзвездной среды почти всегда сопутствуют друг другу, образуя газово-пылевые облака.
  • Дальнейшие поиски оптических линий других молекул, которые могут существовать в межзвездном пространстве, не дали положительных результатов. Только развитие ракетной техники позволило производить внеатмосферные исследования в далекой ультрафиолетовой области, на основании которых были обнаружены молекулы водорода H2 и окиси углерода CO.
  • Очень большое количество данных о межзвездных молекулах было получено в радиодиапазоне. В 1956 г. И. С. Шкловский теоретически рассчитал возможность наблюдений в радиодиапазоне межзвездных молекул гидроксила (ОН), углеводорода (СН) и др.
  • Он вычислил и соответствующие частоты линий (частотами в случае применения радиоастрономической аппаратуры пользоваться предпочтительнее, нежели длинами волн). С этого же времени быстрыми темпами развивались радиотелескопы с соответствующими приемниками излучения.
  • Условия наблюдаемости молекул в радиодиапазоне в целом ряде случаев несравненно более выгодны, чем в любом другом диапазоне. Поэтому вскоре открытия радиоастрономов буквально посыпались одно за другим. В 1963 г. была обнаружена межзвездная молекула гидроксила, в 1968 г. был открыт аммиак (NH3), в 1969 г. — водяные пары, формальдегид (H2CO), в 1970 г.— цианистый водород (HCN) и целый ряд органических соединений! Многие из этих сложных молекул могут участвовать в процессах, сопутствующих зарождению жизни.
  • Некоторые линии не были отождествлены с линиями известных молекул (в основном, вероятно, из-за нехватки лабораторных данных о спектрах).
  • Многие из обнаруженных линий в разных участках неба имеют сложную структуру — расщепляются. В данном случае в отличие от оптических линий расщепление чаще обусловлено не облачной структурой межзвездной среды, а спиральной структурой Галактики. Правда, в некоторых случаях тонкая структура линий также связана с наличием отдельных облаков и их турбулентными движениями в разных направлениях и с разными скоростями.
  • Эти радиоастрономические открытия значительно расширили наши сведения о межзвездной среде и поставили перед учеными ряд новых проблем, требующих своего быстрейшего разрешения.
  • Мы оказались перед ситуацией, которая возникает в науке очень часто: решение сложного вопроса сразу же ставит новые задачи, заставляет пересмотреть прежние взгляды. Одна из труднейших среди этих новых и сложных проблем — наличие в холодной межзвездной среде с температурой 10—100 К сложных органических молекул.
  • Механизм свечения молекул в радиодиапазоне оказался необычным. Об этом говорят, во-первых, большая интенсивность линий, не соответствующая распространенности молекул, во-вторых, сильная поляризация (круговая и линейная) излучения в линии, в-третьих, аномальное (отличное от теории) отношение интенсивностей разных линий одной и той же молекулы, не соответствующее тому, которое должно быть при условии термодинамического равновесия. Причина этих аномалий заключается в мазерном эффекте. В этом случае возникает неравновесное накопление («накачка») числа молекул в одном из возбужденных состояний, после чего происходит мощное и направленное излучение, экспоненциально усиливающееся при распространении через межзвездную среду. Источником «накачки» может быть, например, ультрафиолетовое излучение горячих звезд.
  • Некоторые межзвездные молекулы наблюдаются в радиодиапазоне в линиях поглощения. В этом случае линии поглощения образуются обычным «классическим» путем, как и в оптическом диапазоне.
  • Многие источники, содержащие излучающие молекулы, оказываются состоящими из целого ряда более мелких областей. Поэтому очень важно увеличивать разрешающую силу радиотелескопов. Для увеличения разрешения радиоастрономы используют радиоинтерферометры: два согласованных в работе радиотелескопа, разнесенных на большое расстояние. Разрешение, достигнутое на межконтинентальном радиоинтерферометре с телескопами в СССР (Крым) и США (Массачусетс, Хайстекская обсерватория), является рекордным — 0",0002. Чтобы получить подобное разрешение в оптическом диапазоне, необходим телескоп диаметром 500 м! Эти цифры говорят о больших успехах радиоастрономии. С радиоинтерферометрами удалось установить, что области радиоизлучения молекул, например гидроксила, очень малы (0",005—0",05).
  • Достаточно удовлетворительных механизмов образования межзвездных молекул в настоящее время неизвестно. Из различных предложенных представляется очень вероятным образование молекул на поверхности частиц пыли. Последние должны обладать различными поверхностными дефектами, активными зонами, в которые может быть захвачен атом. В результате химической реакции с другими захваченными атомами образуются молекулы Но остается еще невыясненным вопрос об освобождении молекулы с поверхности частицы.
  • В настоящее время в разных странах вводится в строй целый ряд крупных наземных оптических телескопов, создаются мощные радиоинтерферометрические системы, разрабатываются большие внеатмосферные телескопы, которые будут наблюдать с орбит искусственных спутников Земли. Несомненно, что одна из ведущих проблем, которая будет решаться с помощью всей этой техники, — это проблема детального изучения межзвездной среды, и в частности газа и пыли.

    ВИКТОР ЕФИМОВИЧ ХАИН — геолог, член-корреспондент АН СССР, профессор Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Занимается вопросами теоретической и региональной геотектоники.

    ХАИН В. Е.
    ГЛОБАЛЬНАЯ ТЕКТОНИКА

  • В настоящее время вряд ли у кого вызывает сомнения то, что начиная с 60 годов обновление, связанное с происходящей в наши дни великой научно-технической революцией, затронуло и одну из древнейших естественных наук — геологию. До этого времени в геологии решительно преобладали региональные, описательные работы. Вершина этих исследований — выделение и характеристика основных структурных элементов земной коры, их изображение на тектонических картах и выявление стадий и закономерностей развития, причем все это касалось практически только площади современных континентов. Лишь изредка делались попытки генетического истолкования этих эмпирических закономерностей и предполагались различные, как мы теперь выражаемся, динамические модели земной коры или всей Земли, но модели эти оставались чисто умозрительными, качественными, не подкрепленными физической, химической, математической аргументацией.
  • Положение стало заметно меняться, лишь начиная с 60 годов. К этому времени широкое развитие получили геолого-геофизические исследования дна океанов, вскоре (с 1968 г.) дополненные глубоководным океанским бурением, резко расширились наши знания о строении земной коры и верхней мантии, были широко внедрены в практику радиометрические методы определения возраста горных пород, что впервые дало возможность определить последовательность их образования и сопоставить данные о древнейших, практически лишенных органических остатков докембрийских породах континентов. Тогда же был разработан метод палеомагнетизма, позволяющий определять положение магнитных, а следовательно, и географических полюсов в прошлые геологические эпохи, а также континентов относительно этих полюсов. Сейсмологи научились более точно определять как положение очагов землетрясений, так и характер напряжений и деформаций в этих очагах, а успехи экспериментальной петрологии (результаты экспериментов при высоких температурах и давлениях) пролили свет на условия и глубину зарождения магм и т. д. Все это в огромный степени расширило фактическую базу геологии, причем одновременно в нескольких измерениях — в глубину (охватывая низы земной коры и верхи мантии), по площади, в направлении познания строения и истории океанов, а также во времени (вплоть до обнаружения горных пород с возрастом около 4 млрд. лет).
  • Геология стала все теснее объединяться со своими младшими сестрами — геофизикой и геохимией, имеющими с ней единый объект изучения — нашу Землю; появилось понятие «геономия», или наука о Земле, интегрирующее все три науки. Более того, по мере развития космических исследований, с достижением новых успехов в изучении Луны и других планет Солнечной системы геология все больше ощущает себя лишь частью более общей науки — планетологии.
  • Все эти изменения в очень большой степени затронули один из важных разделов геологии — тектонику (геотектонику), занимающуюся изучением движений структуры и развития Земли и особенно ее верхних твердых оболочек — коры и верхней мантии. До начала нового этапа своего развития тектоника особенно страдала от преобладающе регионального подхода к решению ее задач. Эволюция отдельных крупных структурных элементов земной коры рассматривалась как вполне автономный процесс, независимый от эволюции даже смежных элементов. Считалось, что достаточно объяснить развитие отдельных геосинклинальных систем, чтобы понять развитие земной коры в целом. Одновременно предполагалось, что источник движений и развития земной коры лежит в верхней мантии на глубине слоя пониженной вязкости и повышенной пластичности (в так называемой астеносфере).
  • Сейчас геология, само название которой обязывает изучать Землю в целом, впервые начинает оправдывать это название благодаря вовлечению в орбиту исследований океанов, занимающих 70% земной поверхности, а также глубинных оболочек Земли. Таким образом, на смену региональному подходу пришел глобальный подход, более отвечающий требованиям диалектики рассматривать все процессы и явления в их взаимосвязи.
  • Глобальный подход обязывает при рассмотрении любой из особенностей структуры или развития Земли учитывать материал по всей Земле (земной коре) в целом. В прошлом заключения, претендовавшие на глобальное значение, обычно делались на основании изучения, пусть и детального, отдельных участков земной коры, рассматривавшихся в качестве эталонных. Почти вплоть до середины нашего века такие эталоны выбирались в пределах единственно к тому времени прилично изученных Европы и Северной Америки. К примеру, о закономерностях строения и развития устойчивых глыб земной коры — платформ (кратонов) судили по данным, касающимся Восточно-Европейской (Русской) и Северо-Американской платформ, а о подвижных так называемых поясах геосинклинального типа — в основном на материале Альп. Это привело, в частности, к представлениям о том, что платформы практически лишены проявлений магматической деятельности, а складчатые горные сооружения геосинклинального типа всегда построены в виде пластин — шарьяжей, надвинутых друг на друга в определенной последовательности. В настоящее время мы хорошо знаем, что подобное обобщение и экстраполяция материалов по вышеназванным регионам совершенно неправомерны. Уже ближайшая к Восточно-Европейской платформе Сибирская платформа обнаруживает в своей истории интенсивную, продолжительную и разнообразную магматическую деятельность, а соседние с Альпами Пиренеи оказываются построенными существенно иначе, чем Альпы. Вообще говоря, современный опыт показывает, что нет двух континентов, двух океанов, двух горных сооружений, двух платформ совершенно одинаковых по своему строению и по своей истории; они всегда глубоко индивидуальны.
  • В значительной мере это послужило причиной длительных разногласий между геологами-теоретиками по отдельным вопросам, например, о соотношении движений смежных структурных элементов земной коры, об одновременности или разновременности трансгрессий и регрессий (наступлений и отступлений океана) на платформах и в прилегающих геосинклиналях и т. д. Помимо недостатка сведений по океанам и по континентам за пределами Европы и Северной Америки, здесь играла немаловажную роль ограниченность личного опыта исследователей, обычно хорошо знающих один-два, в редких случаях три-четыре региона, а также неудовлетворительная форма представления информации о строении и истории тех или иных регионов в геологической литературе, страдающая расплывчатой и субъективной описательностью и позволяющая поэтому каждому исследователю извлекать из нее именно то, что ему хотелось бы извлечь.
  • Отсюда следует несколько выводов на будущее. Во-первых, должна быть решительно усовершенствована и по возможности формализована вся система описания, характеристики строения и развития отдельных участков, отдельных структурных элементов земной коры, с тем чтобы вся соответствующая информация могла быть подвергнута статистической обработке с применением ЭВМ. Уже достаточно давно известно, что геологические закономерности носят именно статистический, а не детерминированный характер и поэтому могут быть осмыслены с достаточной объективностью лишь на всем мировом материале и с использованием соответствующей методики.
  • Следует иметь, однако, в виду, во-первых, что проблема формализации тектонических характеристик — далеко не простая, требующая длительной разработки. Это касается, в частности, такого сравнительно, казалось бы, простого элемента, как отображение интенсивности и «стиля» складчатых деформаций. А. В. Вихерт (Москва) потратил немало времени на разработку предложений по этой проблеме, но и его предложения еще требуют серьезного обсуждения и совершенствования.
  • Во-вторых, со всей очевидностью выступает необходимость возможно более широкой международной кооперации ученых разных стран в области тектоники. Только это может обеспечить равномерное, своевременное и полноценное накопление информации по всем районам всех континентов и океанов мира. Очень отрадно, что основа такого сотрудничества уже заложена в виде нескольких международных проектов, находящихся на разных стадиях своего осуществления и поддерживаемых ЮНЕСКО: проект создания Международной тектонической карты мира, Международный геодинамический проект, Международная программа геологической корреляции.
  • В-третьих, очень важно, чтобы геологи разных стран имели возможность на месте знакомиться с особенностями геологического строения тех или иных складчатых систем. Имея в виду неразработанность методики объективной характеристики этих особенностей, в тектонике особенно справедливо известное выражение: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» (или, добавим, прочитать).
  • Таковы некоторые важные условия применения глобального подхода в тектонике. Но какие же задачи предстоит решать на этой основе?
  • В первом приближении это задачи двух категорий: 1) анализ пространственного расположения основных структурных элементов земной коры (литосферы) (Примеч.- Понятие литосферы несколько шире понятия земной коры и включает, помимо последней, самую верхнюю часть мантии, лежащую выше ее ослабленной, с пониженной вязкостью зоны (астеносферы).) как современного, так и в более ранние геологические эпохи и 2) анализ течения тектонических процессов во времени. Остановимся на каждой из них.
  • Известно, что литосфера имеет слоисто-глыбовое строение и состоит из структурных элементов двух принципиально разных типов: более или менее изометричные блоки (или плиты) и разделяющие их подвижные пояса. Наиболее крупные из блоков имеют континентальные или субконтинентальные масштабы, а подвижные пояса того же масштаба соответствуют геосинклиналям, орогенам (складчатым или глыбовым горным сооружениям), зонам складко— и горообразования, рифтовым зонам океанов (срединно-океанических хребтов) и континентов. Блоки или плиты испытывают перемещения относительно друг друга, реализуемые в пределах разделяющих их подвижных поясов в форме либо растяжения и раздвига (рифтовые зоны посредине океанов и континентов), либо сжатия (орогены на границе континентов и океанов и между континентами). Кроме того, как океаны, так и континенты и разделяющие их подвижные пояса пересечены в поперечном или косопоперечном к их контурам направлении многочисленными разломами, вдоль которых происходят сдвиговые перемещения; в океанах такие разломы получили название трансформных. Сдвиги — трансформные разломы вместе со сбросами и надвигами-поддвигами краев континентов и раздвигами рифтовых зон океанов и континентов образуют столь характерную для земной коры разломную сетку, подобие которой начинают обнаруживать на Марсе и на Луне. Разломы, составляющие эту сетку, какбудто укладываются, как показали независимо друг от друга и на разном материале советские (А. И. Суворов, И. И. Чебаненко) и американские (Дж. Муди, М. Килл) исследователи, в восемь основных направлений, сочетающихся в четыре парные системы, из которых одна совпадает с параллелями и меридианами, а остальные располагаются диагонально с углами порядка 22—23" между ними. Имеются данные о том, что и более мелкие разрывы земной коры, и даже трещины, составляющие повсеместную, так называемую планетарную трещиноватость (С. С. Шульц, Ленинград), подчиняются той же закономерности. Этот вывод предстоит проверить на всем мировом материале, ибо, как мы увидим ниже, он имеет фундаментальное значение для понимания разработки динамической модели Земли.
  • Однако не только разломы и трещины, но и само расположение и конфигурация крупнейших структурных элементов Земли при всей своей кажущейся прихотливости обнаруживают определенную упорядоченность. Об этом говорили уже давно, и одним из первых великий русский геолог А. П. Карпинский, но только после того, как на глобус была положена морфоструктура дна океанов, картина стала достаточно очевидной. В ней проступают черты одновременно симметрии и диссимметрии (или антисимметрии). Так, наблюдается тенденция к попарной группировке материков Северного и Южного полушариев, но вместе с тем Тихому океану противостоит сосредоточение всех континентов (отсюда разделение Земли на океаническое и континентальное полушария, на Тихоокеанский и Атлантический сегменты), Северному Ледовитому океану — континент Антарктиды и т. п. Диссимметрия севера и юга сопровождается диссимметрией востока и запада, особенно очевидной в Тихом океане с его системой островных дуг и окраинных морей на западе и их почти полным отсутствием на востоке.
  • Еще одна особенность структуры литосферы, заслуживающая быть отмеченной, — приуроченность наиболее крупных широтных сдвигов к экваториальной зоне. Создается впечатление, что вдоль этой зоны структурные элементы Северного полушария сдвинуты в целом к западу относительно аналогичных элементов Южного полушария.
  • Все эти черты лика Земли достаточно определенно свидетельствуют против предположения о том, что его особенности могли быть врожденными, обязанными первичной неоднородности нашей планеты, и что литосфера возникла из протопланетных тел достаточно крупного (континентального, в крайнем случае субконтинентального) размера и существенно различного состава, ибо распределение таких тел могло быть лишь случайным, но никак не закономерным и не подчиненным фигуре вращения Земли. Протопланетный материал должен был сначала претерпеть значительную гомогенизацию и затем уже дифференцироваться и перераспределяться под воздействием радиогенного зонного плавления в поле вращения Земли.
  • Современный структурный план Земли обнаруживает явную зависимость от фигуры ее вращения, а изучение многих зон разломов указывает на то, что они были заложены еще на очень ранних стадиях развития нашей планеты, начиная с даты около 2,5 млрд. лет назад. Это как будто указывает на большую устойчивость, унаследованность этого структурного плана. Между тем и данные исторической геологии, и данные палеогеофизики свидетельствуют о другом: наблюдаемая ныне конфигурация континентов и океанов сложилась лишь в течение мезозоя, т. е. в последние 200 млн. лет земной истории. Ста миллионами лет раньше, во второй половине палеозойской эры еще не существовало ни Индийского, ни Атлантического, ни Северного Ледовитого океанов, но зато в районе нынешней Центральной Азии располагался Палеоазиатский океан, полностью исчезнувший к концу палеозоя.
  • Данные изучения остаточного магнетизма горных пород, представляющего запись ориентировки магнитного поля во время их образования, говорят о том, что магнитные полюса, а следовательно, и географические полюса и ось вращения Земли, которая через них проходит, существенно меняли свое положение в течение геологической истории. Мало того, менялось и положение отдельных континентальных глыб относительно оси вращения Земли; об этом свидетельствует несовпадение кривых миграций полюсов, определенное по породам разных континентов. Перемещение континентальных глыб находит подтверждение и в различных других геологических фактах.
  • Как же согласовать все это с постоянством сетки разломов и трещин, с выдержанностью ее ориентировки относительно оси вращения Земли?
  • Анализ перемещения магнитных полюсов Земли показывает, что оно не представляло собой беспорядочного и непрерывного блуждания, а совершалось, во-первых, скачками (по времени совпадающими с основными эпохами тектоно-магматической активности Земли) и, во-вторых, определенными шагами, которые, видимо, соответствуют расстоянию (напомним, около 30°) между основными направлениями разломной сетки. При этих условиях сама сетка (которую еще называют регматической) сохраняет свое значение и при миграции оси вращения Земли, меняется во времени лишь относительное положение отдельных составляющих ее систем разломов — из ортогональных (широтно-меридианных) они могут становиться диагональными и т. п.
  • Перемещение отдельных мегаблоков (плит) литосферы происходит тоже не беспорядочно, а вдоль основных разломов регматической сетки, причем раздвиги блоков в одном месте компенсируются их надвигом друг на друга или поддвигом одного под другой тут же по соседству. «Раскрытие» океанов, в частности Атлантического и Индийского, совершалось отдельными сегментами, вдоль ограничивающих их поперечных, трансформных разломов, которые служили при этом как бы рельсами, направляющими раэдвиговые движения.
  • Во многих случаях движения блоков имели явно вращательный характер. Однако, как доказывает общая теория «тектоники плит», любые горизонтальные движения на сфере, каковую и представляет собой поверхность Земли, должны быть вращательными; следами этих движений и служат трансформные разломы.
  • Наиболее сложные перемещения испытывали мелкие блоки в пределах подвижных поясов Земли; здесь ламинарное течение материала могло переходить в турбулентное, что было связано с изменениями плотности мантии (ее астеносферы) по горизонтали в основании литосферы. Возникающие при этом перемещения литосферы (в основных ее верхних частях) с образованием крупных перекрытий — шарьяжей представляют определенную аналогию циклонических и антициклонических движений атмосферы, как это недавно отметили независимо друг от друга синоптик М. Назиров (СССР) и геолог М. Жидон (Франция). Наконец, нельзя не обратить внимание на еще одно обстоятельство. Несмотря на явную молодость таких океанов, как Атлантический и Индийский, а также, очевидно, Северный Ледовитый в их современном виде, их «корни» как крупнейших структурных элементов литосферы явно восходят к достаточно далекому геологическому прошлому — раннему палеозою или даже позднему докембрию. В конце докембрия, раннем и среднем палеозое уже существовал океан, близкий по положению Атлантическому; потом он «закрылся» в конце палеозоя и вновь «раскрылся» в мезозое, как впервые отметил канадский геофизик Дж. Т. Вильсон. Индийский океан тоже возник не на случайном месте: вдоль практически всех его окраин простираются подвижные пояса позднего докембрия — начала палеозоя; индоокеанское обрамление Австралии и Южной Африки обозначилось уже в кембрии-ордовике, другие же участки — не позднее середины пермского периода и т. д.
  • Одним словом, существуют определенные возможности положительного разрешения одного из коренных противоречий геотектоники— противоречия между унаследованностью, относительным постоянством, с одной стороны, и изменчивостью, периодическими и значительными перестройками структурного плана Земли — с другой. Однако это лишь общая формула; чтобы ее наполнить конкретным содержанием, нужна большая и очень трудоемкая работа по расшифровке тектонической истории Земли, по восстановлению ее древних структурных планов, насколько возможно—с наиболее отдаленных времен. Составление палеотектонических карт как для отдельных, переломных моментов тектонической истории, так и для более продолжительных ее этапов — таков путь решения этой задачи.
  • Обратимся теперь к другому аспекту глобальной тектоники — временному. Здесь одна из основных проблем — проблема характера протекания тектонических (и вообще эндогенных, включая магматизм, метаморфизм) процессов: являются ли они в глобальном масштабе непрерывными или прерывистыми, а в последнем случае синхронными или асинхронными?
  • На заре тектонической науки на основе очень ограниченного эмпирического материала геологи пришли к выводу об эпизодическом проявлении тектогенеза и синхронности тектонических эпох и фаз в планетарном масштабе. Позднее эта концепция получила свое наиболее полное выражение в работах крупнейшего немецкого тектониста Г. Штилле. Однако дальнейшее накопление регионально-геологических данных по всем континентам мира заставило серьезно усомниться в справедливости представления об эпизодичности и синхронности тектогенеза и выявило во всяком случае большую сложность этой проблемы. Точность датировки тектонических событий во многом зависит от детальности стратиграфического (по ярусам, зонам) расчленения и точности корреляции осадочных и вулканических толщ, производимых по остаткам ископаемых организмов. Между тем специалисты в этой области, стратиграфы, также начали приходить к мнению о невозможности выделения достаточно дробных биостратиграфических подразделений порядка ярусов и зон, что еще более усложняло проблему. Так обстояло дело до начала глубоководного бурения в океанах.
  • Результаты пятилетних буровых работ в основных океанских акваториях убедительно показали, что, вопреки мнению пессимистов, существует полная объективная возможность выделения общепланетарных зон и ярусов в пределах позднего мезозоя и кайнозоя (в осадочном слое океанов установлены отложения лишь начиная с юрских) и что границы между системами и отделами, установленными ранее на континентах по резкой смене состава фауны, а часто также самих осадков, не менее отчетливо прослеживаются и в акваториях. Уже это открытие, сделанное американскими (Н. Берггрен и др.) и советским (В. А. Крашенинников) исследователями и распространенное (академик В. В. Меннер) и на более древние геологические периоды, косвенным образом свидетельствуют в пользу периодичности и планетарности тектогенеза. Более прямым доказательством доставляет статистика распределения несогласий в геологическом разрезе (А. А. Пронин, СССР) и радиометрических датировок интрузивно-магматических (плутонических) и метаморфических пород — последнее постольку, поскольку существует явная сопряженность во времени активизации всех трех основных типов эндогенных геологических процессов: тектогенеза, магматизма, метаморфизма.
  • Таким образом, чаша весов теперь вновь склоняется на сторону представления об эпизодичности (периодичности) и глобальности эпох тектогенеза, но с определенными и серьезными поправками, по сравнению с первоначальной — штиллеанской, и более ранней формой этой концепции. Совершенно очевидно, во-первых, что тектогенез отнюдь не затухнет в периоды между эпохами его активизации — тектоническими эпохами (фазами), проявляясь не только в областях поднятия, но и в областях погружения. Во-вторых, число таких эпох больше, чем было намечено Штилле, ибо некоторые из них проявились в основном за пределами Европы и Северной Америки. В-третьих, продолжительность тектонических эпох (фаз) оказывается достаточно большой (до 10—15 млн. лет) и их кульминация наступает не одновременно даже в одной и той же области, в разных ее зонах и сегментах. В-четвертых, одна и та же эпоха в разных областях занимает различное место в истории их эволюции, образуя рубежи между разными стадиями этой эволюции, как то было недавно убедительно показано академиком А. П. Пейве на примере столь близких по своей тектонической истории и строению Урала и Аппалачей.
  • Но то, что сейчас было сказано,— лишь предварительные наметки, которые пока еще встречают много возражений и которые должны быть конкретизированы, уточнены, а возможно, и существенно модифицированы в ходе работ по международной программе геологической корреляции.
  • Еще один вопрос, который имеет близкое отношение к проблеме периодичности и синхронности тектогенеза,— вопрос о существовании единого глобального ритма трансгрессий и регрессий. Мнения в этом вопросе эволюционировали точно так же, как и в отношении ранее затронутых сторон проблемы. Недавно академик А. Л. Яншин привел, казалось бы, исчерпывающую аргументацию против представления о мировых трансгрессиях и регрессиях и, в частности, убедительно показал, что в разных областях Земли трансгрессии и регрессии происходили далеко не одновременно. И тем не менее подсчет изменения площадей, покрытых морем в разные геологические эпохи фанерозоя (Примеч.- Фанерозой (от греч. «фанерос» — явный) — совокупность палеозойской, мезозойской и кайнозойской эр, несущих явные признаки достаточно богатой органической жизни, — Ред.) (т. е. за последние 600 млн. лет) на континентах и особенно четко на их наиболее устойчивых ядрах (платформах), законченный позднее А. Г. Роговым и автором этой статьи с сотрудниками, недвусмысленно подтверждает проявление определенной цикличности, определенного ритма в смене трансгрессий и регрессий. Отклонения от этого ритма естественно объясняются известной автономией в режиме движений отдельных крупных сегментов и блоков литосферы.
  • Сторонники глобального характера трансгрессий и регрессий давно задумывались над возможными их причинами. Одной из таких причин, наиболее очевидной, могло быть изъятие воды из океанов в крупных масштабах в периоды великих оледенений и ее возврат в океан в промежутки между ними. В период последнего такого оледенения (четвертичного) уровень океана понизился более чем на сотню метров, и это привело к ощутимой регрессии в области современных континентальных окраин. Но в течение фанерозоя было всего три таких ледниковых периода (конец ордовика, конец карбона — начало перми, четвертичный период), каждый из которых продолжался не более десятка миллионов лет. Ритм же трансгрессий и регрессий крупнее и сложнее, а масштабы их больше, чем позволяет допустить «ледниковый» ( в более точной терминологии гляциоэвстатический) механизм. Можно предполагать еще, что регрессии связаны с углублением дна океанов, а трансгрессии — с увеличением объема воды за счет вулканической деятельности. Но соответствующие подсчеты показывают, что «пополнение» океана в фанерозое «вулканической» водой было сравнительно скромным и происходило оно и в периоды регрессий.
  • В последнее время предприняты интересные попытки связать трансгрессии с ростом, с подъемом грандиозной системы срединно-океанических хребтов, а регрессии — с остановками этого роста. Одновременно оказывается, что и тектонические фазы (эпохи), устанавливаемые на современных континентах, коррелируются с фазами развития срединно-океанических хребтов, точнее с фазами замедления и остановки в расширении дна океанов, распространяющегося от рифтовых зон срединных хребтов (чилийский геолог Ж.— К. Висенте, советский тектонист А. В. Лукьянов на примере Исландии). В этом ярко проявляется глобальная взаимосвязь тектонических (и вообще эндогенных) процессов, которая подчеркивалась уже выше.
  • Если, как предполагают Ж.— К. Висенте и А. В. Лукьянов, происходит чередование эпох интенсивного расширения океанов и эпох его прекращения и сжатия материковых окраин, это означает, что постоянной и автоматической компенсации расширения и сжатия в глобальном масштабе, допускаемой «тектоникой плит», не наблюдается, а имеет место чередование эпох увеличения и уменьшения объема Земли, как это предполагалось еще пульсационной тектонической гипотезой американского геолога У. Бухера и советских ученых М. А. Усова и академика В. А. Обручева. Но подчеркнем еще раз, все это требует тщательной проверки, подсчетов и расчетов и только после того может быть «принято на вооружение».
  • Таковы некоторые важнейшие вопросы, относящиеся к временному аспекту глобальной тектоники. Несколько слов здесь следует сказать еще о сфере соприкосновения глобальной тектоники с планетологией.
  • Основой развития Земли, как и других планет, является, очевидно, ее «саморазвитие», эволюция ее структуры (разделение на оболочки, блоки и пр.) под воздействием накапливающегося в ее глубоких недрах радиогенного и иного происхождения тепла и вызванного этим теплом плавления и дифференциации вещества мантии. Вращение Земли вокруг своей оси придает формирующемуся таким образом распределению структурных элементов (устойчивые блоки — плиты, подвижные пояса, разломы) определенную упорядоченность, создает структурные планы, сменяющие друг друга вследствие изменения относительно положения оси вращения Земли под влиянием пока еще неведомых нам причин. Одной из этих причин может быть непрерывно и вместе с тем периодически (циклически) меняющееся положение Земли в гравитационном и электромагнитном поле Солнечной системы, меняющаяся напряженность последнего из этих полей в результате изменений солнечной активности.
  • Действительно, исследования последних лет обнаруживают зависимость между, казалось бы, очень разнопричинными явлениями — землетрясениями и лунными приливами, лунотрясениями и земными приливами, инверсиями магнитного поля Земли, миграцией полюсов и ее тектонической активностью, солнечной активностью и вулканизмом. Весьма возможно, что именно связи подобного рода ответственны за короткопериодические вариации эндогенного, в том числе тектонического, режима Земли.
  • Что же касается долгопериодических вариаций, типа тех, которыми обусловлены эпохи и фазы тектогенеза, ритмы развития срединно-океанских хребтов, расширения дна океанов, трансгрессией и регрессий, то они скорее всего обязаны изменению положения Земли и всей Солнечной системы на галактической орбите — предположение, которое неоднократно высказывалось в прошлом и к которому все время возвращаются и в наши дни. Правда, существует полнее всего обоснованная академиком А. Н. Тихоновым и Е. А. Любимовой теоретическая возможность, что внутри самой Земли периодически генерируются распространяющиеся к поверхности тепловые волны, и именно этот механизм может быть ответствен за периодические изменения объема Земли и эпохи господствующих в литосфере напряжений. Но сложный и тонкий ритм пульсаций тектонической активности говорит скорее о том, что «спусковым крючком» данного механизма являются все же изменения (пусть и крайне слабые) галактического поля при прохождении через него нашей планеты.
  • Итак, методологически представляется правильным, всецело признавая главенство внутренних факторов развития Земли, предусмотреть определенную роль колебаний скорости ее вращения, а также изменений гравитационного и электромагнитного полей как Солнечной системы, так и Галактики, т. е. влияние внеших факторов космического порядка. Разумеется, все это пока еще область предположений, но тем и отличается современная, новая геология от прежней, классической, что теперь впервые уровень наших знаний о Земле в целом и современные методы вычислительной математики и моделирования создали объективную возможность проверить все гипотезы, выдвинутые за 200 лет развития научной геологии, и заложить основы подлинно глобальной теории развития нашей планеты.

    001 Б90

    Б90 Будущее науки. Международный ежегодник.

  • Выпуск восьмой. М.. «Знание», 1975. 288 с.
  • Книга посвящена перспективам развития науки. Видные советские и зарубежные ученые рассказывают на страницах ежегодника о путях развития различных отраслей знании, о том, что даст наука людям через 10, 20, 100 лет.

    073(02)—75

  • 001

    БУДУЩЕЕ НАУКИ Ежегодник. Выпуск восьмой

  • Редакторы: К. Гусева, Е. Кондратьев, Г. Кремнева, В. Микулицкий, К. Петров
  • Обложка А. Гангалюки
  • Художественный редактор В. Савела.
  • Технический редактор Т. Пичугина
  • Корректор С. Ткаченко

    А02759. Индекс заказа 59105. Сдано в набор 2/ХII 1974 г. Подписано к печати 11/IX 1975 г. Формат бумаги 70x1081/32. Бумага глуб. печ. Бум. л. 4,5. Печ. л. 9. Усл. печ. л. 12,60. Уч.-изд. л. 17,25. Тираж 112000. Издательство «Знание». Москва, 101835, Центр, проезд Серова, д. 4. Заказ 91. Цена 58 коп.

  • Ордена Трудового Красного Знамени Калининский полиграфический комбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, г. Калинин, пр. Ленина, 5