Три загадки космоса

Современная наука учит, что окружающий нас мате­риальный мир необычайно многообразен. Различные его проявления, связанные в единое целое, в то же время подчиняются своим собственным законам, действующим в определенных условиях. В течение многих столетий лю­ди наблюдали и изучали окружающую их земную при­роду, и открытые ими законы природы легли в основу многих наук — механики, физики, химии, биологии и дру­гих. Люди уже с древнейших времен догадывались о том, что все земные тела состоят из бесчисленного множества мельчайших, невидимых глазу частичек—атомов, от сочетания которых зависят наблюдаемые свойства зем­ных предметов. Так, например, древнегреческий ученый Демокрит, живший более 2000 лет назад, учил, что вода состоит из очень маленьких и очень гладких атомов, и этим объясняется свойство ее текучести. Напротив, твер­дые тела, по мнению Демокрита, состоят из сравнительно больших атомов с шероховатой поверхностью. Они проч­но соединены друг с другом, и этим объясняются свой­ства твердых тел.

Однако уже в самом начале XX века стало ясно, что без исследования свойств атомов невозможно объяснить множество наблюдаемых явлений, таких, как электриче­ство, свет, радиоволны, химические соединения и многие другие. Поэтому ученые-физики вплотную занялись изу­чением атомов. Оказалось, что атомы вовсе не являются неделимыми, как думали древние греки, а имеют очень сложную структуру. Перед учеными открылся богатей­ший своим разнообразием и в то же время единством мир микрочастиц, то есть мельчайших частиц материи, невидимых даже в самые сильные микроскопы. Сущест­вование этих частиц, названных элементарными (простей­шими), проявляется по их воздействию на фотопластин­ки и чувствительнейшие физические приборы.

В начале XX века были открыты микрочастицы, об­ладающие электрическими зарядами — протоны (с поло­жительным зарядом) и электроны (с отрицательным за­рядом). Но массы этих частиц не равны между собою: протон тяжелее электрона почти в 1840 раз! Дальнейшие поиски привели к открытию в 1932 г. нейтрона — элемен­тарной незаряженной (нейтральной) частицы, с массой, немного превышающей массу протона. В том же 1932 г. была обнаружена элементарная частица, сходная по массе с электроном, но имеющая положительный заряд. Эта частица получила название позитрона. С 1936 г. на­чинается целая серия открытий положительных, отрица­тельных и нейтральных частиц, отличающихся по своей массе от ранее известных элементарных частиц. Все вновь открытые частицы получили общее название мезонов. В последние годы обнаружена нейтральная частица, масса которой в сотни раз меньше массы электрона. Ее назвали нейтрино. Открытие новых частиц продолжает­ся и в наши дни.

Оказалось, что в мире микрочастиц действуют зако­ны, отличающиеся от тех, которые управляют движением и развитием больших тел. Микрочастицы движутся с ог­ромными скоростями во много десятков тысяч километ­ров в секунду, то есть со скоростями, близкими к скорости света (300 000 км/сек). Взаимодействие микрочастиц друг с другом порождает новые элементарные частицы с иными свойствами, чем у взаимодействующих частиц.

Микрочастицы способны поглощать и излучать свето­вую энергию, причем поглощение и излучение происходит мелкими, но вполне определенными порциями — кванта­ми. Элементарные частицы — как бы кирпичи, из кото­рых состоят атомы различных химических веществ. Свой­ства атомов целиком зависят от числа и взаимного расположения входящих в них микрочастиц. Если проис­ходит перегруппировка частиц внутри атома, то атом одного вещества может превратиться в атом другого веще­ства. При этом превращении возможно выделение боль­шого количества ядерной энергии. Например, когда атомы водорода превращаются в атомы гелия, то проис­ходит бурное выделение ядерной энергии, известное как взрыв водородной бомбы.

Микрочастицы обладают двойственной природой: с одной стороны, они проявляют себя как настоящие части­цы и их можно сосчитать при помощи соответствующих приборов; с другой стороны, они обладают волновыми свойствами, аналогичными свойствам света. Ничего по­добного мы не наблюдаем в макромире, то есть в мире обычных земных тел.

Открытие микромира с его необычными свойствами имеет очень большое принципиально-философское значе­ние. Оно показывает, что при безграничном уменьшении масштабов явлений на определенном этапе выявляются иные, отличные от ранее известных, свойства материи. При безграничном уменьшении масштабов нет места полному подобию явлений. Определенные закономерно­сти сохраняются только до известного предела, за кото­рым вскрываются новые законы природы. Это и подра­зумевается, когда говорят, что из макромира мы перехо­дим в микромир. Конечно, это не значит, что между явлениями микромира и макромира существует какая-то непроходимая пропасть. Наоборот, они теснейшим обра­зом связаны между собой. Достаточно вспомнить свет, который играет важнейшую роль и имеет повсеме­стное распространение в макромире, и вместе с тем он вестник микромира, посылаемый атомами. С другой сто­роны, микрочастицы участвуют в развитии макромира, так как всякое тело есть совокупность множества микро­частиц.

Переход к космосу тоже связан с огромным измене­нием масштабов. Размеры каждой галактики неизмеримо велики по сравнению с привычными нам масштабами размеров. Если в качестве примера взять нашу Галакти­ку, то ее поперечник равен 30 кпс. Это расстояние луч света, самый быстрый гонец во Вселенной, пробегающий 300 000 км/сек, должен мчаться более 100 тысяч лет! А о расстояниях до галактик и говорить не приходится. Оно измеряется мегапарсеками. До наиболее удаленных галактик, которые еще удается фотографировать в совре­менные гигантские телескопы, расстояние оценивается в 1000—2000 мпс, что соответствует примерно от 3 до 6 млрд, световых лет.

Так, масштабы космоса тоже неизмеримо отличают­ся от масштабов привычного нам макромира, но только не в сторону уменьшения, а в сторону увеличения.

Возникает естественный вопрос: не связано ли изме­нение масштабов при переходе к космосу с переходом в новые области Вселенной, где господствуют иные, чем в макромире, законы? К возможности этого ученые уже подготовлены историей открытия микромира. Однако до недавнего времени эта простая и естественная мысль как- то не была достаточно осознана. В самом деле, почему в космосе все явления должны протекать так же, как они происходят в наших земных лабораториях?

Оглядываясь назад, мы видим, что у астрономов уже давно накопился ряд фактов, наблюдаемых в мире галактик. Природу их никак не удается понять, если исходить только из известных нам законов физики и химии, то есть из законов нашего земного макромира. Из таких явлений мы рассмотрим только три, которые оставались до недавнего времени настоящими загадками космоса.

Это — загадка времени релаксации, загадка светя­щихся мостов и загадка красного смещения. Для их ре­шения прилагалось много усилий со стороны ученых раз­ных стран мира, в особенности со стороны советских ученых. И, тем не менее, кое-что в этих вопросах остает­ся неясным и до сего времени. Многие ученые Запада не видят пути для их решения, чем пользуются противники материалистической науки, пытаясь протащить в нее все­возможные антинаучные идеалистические измышления, вроде «сотворения» материи из ничего или возникновения Вселенной из одного-единственного «чудесного» атома.

В астрономии уже давно имеются факты, говорящие о том, что в космосе важную роль играют такие силы, которые на Земле остаются почти незаметными. Хоро­шим примером может служить сила всемирного тяго­тения. Эта сила действует не только между планетами, но и на Земле между всеми предметами. Но в земных условиях, ввиду малой массы тел, силы притяжения на­столько малы, что не ощущаются из-за действия множе­ства других сил или помех, вроде движения воздуха, си­лы трения, наличия в воздухе электрических зарядов и т. д. Между небесными телами, благодаря их большим массам, сила притяжения выступает «в чистом виде», без всяких помех, и она управляет движением небесных тел. Поэтому естественно, что великий ученый Исаак Ньютон впервые открыл и измерил эту силу как раз на основе изучения движения Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца.

Другой пример — земной магнетизм. В земных усло­виях магнитная сила Земли так слаба, что едва-едва мо­жет повернуть на север легкую стрелку магнитного ком­паса. Но, как только первые космические ракеты стали летать до Луны и дальше, выяснилось, что это магнитное поле создает вокруг Земли мощные пояса космической радиации. Космическая радиация состоит из электриче­ски заряженных микрочастиц, летящих со скоростями, близкими к скорости света. Облучение человека этой ра­диацией опасно для жизни! Поэтому ученые стараются точно установить границы радиационных поясов, мощ­ность потока частиц и их состав, с тем, чтобы выбрать в космическом пространстве безопасные пути для полетов к Луне и планетам.

Перед наукой возникла новая проблема. Если под действием магнитных сил, или, как говорят, магнитного поля Земли, образовались радиационные пояса, то такие же пояса можно предполагать и вокруг планет Венеры, Марса и. даже вокруг нашего спутника Луны, к которым вскоре полетят наши космические корабли с космонав­тами. Для того чтобы предотвратить опасность для кос­монавтов, нужно заранее выяснить законы взаимодей­ствия между магнитным полем и радиацией. Так, на на­ших глазах за последние 5—8 лет возникла новая наука магнитогидродинамика. Она специально изучает явле­ния, возникающие в результате взаимодействия магнит­ного поля и потоков заряженных микрочастиц. Мы даль­ше увидим, что в мире галактик магнитные поля играют еще большую роль, чем в мире планет.

Таким образом, если условно считать микромир и макромир первыми двумя этажами Вселенной, то кос­мос представляет собой третий этаж. И подобно тому, как в каждом из первых двух этажей действуют свои соб­ственные законы природы, таки в космосе действуют свои законы. И если исследование микромира в первую очередь задача лабораторных наук физики и химии, то исследо­вание космоса первоочередная задача науки о Вселен­ной, то есть астрономии. Что удалось в этом направлении сделать астрономам, мы увидим из дальнейшего рас­сказа.