Текст книги "Вам, земляне
(Издание второе, переработанное)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 14 страниц)

«Холодный» вариант земной биографии

Известный немецкий философ Иммануил Кант (XVIII век) считается создателем первой научной гипотезы о происхождении Солнечной системы. По мнению И. Канта, Солнечная система возникла из огромного облака мелких твердых холодных частиц, взаимно притягивающих друг друга. В этом хаотическом облаке, как считал Кант, должны были рано или поздно образоваться отдельные сгущения, постепенно уплотняющиеся за счет падающих на них новых частиц. Самое большое из сгущений стало Солнцем, а меньшие – планетами.

Гипотеза Канта с современной точки зрения выглядит весьма наивной. Она не могла объяснить различные особенности Солнечной системы, поэтому не получила широкого распространения, хотя ее основная идея – конденсация планет из холодного распыленного вещества – используется и в современной космогонии – разделе естествознания, изучающем происхождение и развитие космических тел.

Гипотезу Канта сменила выдвинутая известным французским ученым Лапласом (XVIII век) гораздо более обоснованная гипотеза. Лаплас предполагал, что Солнце и планеты образовались из огромной раскаленной вращающейся газовой туманности. Под влиянием холода окружающего ее мирового пространства туманность сжималась, при сжатии угловая скорость ее вращения увеличивалась, а сама туманность постепенно сплющивалась. Благодаря большой скорости вращения туманности от нее вдоль ее экватора одно за другим начали отделяться газовые кольца, которые затем сгустились в планеты. Что же касается центрального сгустка туманности, то он постепенно превратился в Солнце. Гипотеза Лапласа просуществовала около полутора веков. Как и гипотеза Канта, она сыграла большую положительную роль в естествознании, так как на ее примере была доказана возможность объяснять происхождение небесных тел без помощи сверхъестественных сил.

В начале XX века гипотеза Лапласа была подвергнута справедливой критике, которая показала ее несостоятельность с точки зрения науки нашего века. В частности, было доказано, что от вращающейся газовой туманности газ будет отделяться непрерывно, а не в виде колец, и если бы даже отделились газовые кольца, то они рассеялись бы в пространстве, а не сгустились в планеты.

После крушения гипотезы Лапласа некоторые зарубежные ученые пытались выдвинуть разнообразные гипотезы о происхождении Земли и планет. Однако все эти гипотезы очень быстро вступали в противоречие с фактами и отвергались как несостоятельные. Лишь с 1943 г. советские ученые начали вносить некоторую ясность в этот очень сложный вопрос. Трудность космогонических проблем обусловлена колоссальной продолжительностью жизни небесных тел, т. е. их пребыванием в характерном для них состоянии. Так, возраст Земли близок к 5 млрд. лет.

Исследование ископаемых растений показало, что излучение Солнца за сотни миллионов лет практически не изменилось. Это значит, что возраст Солнца намного превышает возраст Земли. Так как Солнце еще весьма далеко от погасания и его самосвечение будет продолжаться еще по крайней мере миллиарды лет, продолжительность жизни Солнца и многих звезд должна измеряться многими миллиардами лет.

По сравнению со всеми этими сроками продолжительность жизни не только отдельного человека, но и всего человечества в целом кажется мигом. Телескоп был изобретен всего лишь три с половиной века назад, а ведь только с помощью телескопа стало возможным изучение физической природы небесных тел. Эволюционные изменения небесных тел, несомненно, происходят, но во многих случаях так медленно, что непосредственно заметить их мы не в состоянии. В этом основная трудность космогонических проблем. Есть, однако, и другие затруднения. В частности, планетная система известна нам лишь в единственном экземпляре. Планетные системы других звезд пока недоступны непосредственному наблюдению. Следовательно, сравнить между собой несколько планетных систем, находящихся на разных стадиях развития, и сделать вывод о их происхождении современная космогония не может.

Несмотря на все эти трудности, научная космогония прогрессивно развивается. Как и всякая наука, она идет от гипотезы к гипотезе, сохраняя все ценное от каждой из них. Характерно, что космогонические гипотезы постепенно усложняются и стремятся объяснить возможно больше наблюдаемых фактов. Нет сомнения, что со временем будут созданы строго и всесторонне обоснованные научные теории, подобные, например, теории эволюции органического мира на Земле.

Начиная с 1943 г. группа советских ученых во главе с акад. О. Ю. Шмидтом разработала стройную космогоническую гипотезу, основанную на новейших достижениях современного естествознания (рис. 29).

Рис. 29. Схема образования планет по гипотезе О. Ю. Шмидта.

По гипотезе Шмидта, наше Солнце много миллиардов лет назад было окружено исполинским «протопланетным» облаком, состоящим из холодной пыли и частичек замерзших газов. Составляющие облако частицы вещества обращались вокруг Солнца. Их было много, они часто сталкивались, и при столкновении часть их энергии безвозвратно излучалась в форме тепла. В конце концов, теряя энергию и испытывая взаимное тяготение, частицы, падая друг на друга, как бы «слипались», образуя постепенно растущие сгущения – зародыши будущих планет. При этом «протопланетное» облако постепенно сплющивалось, а конденсирующиеся «протопланеты» приобретали все более и более круговые орбиты. Последний процесс был вызван тем, что при «слипании» частиц «протопланетного» облака элементы их орбит (величины, характеризующие форму, размеры орбит и их положение в пространстве) осреднялись, поэтому чем крупнее получалась планета, тем больше ее орбита походила на окружность. Прошло очень много времени, прежде чем «протопланетное» облако «сгустилось» в современные планеты.

Таким образом, по гипотезе Шмидта, наша Земля и другие планеты сконденсировались из множества твердых холодных частиц и, следовательно, никогда не были целиком в огненно-жидком, раскаленном состоянии.

Дальнейшая эволюция Земли выразилась в перемещениях составляющих ее масс вещества. Тяжелые массы спускались к центру Земли, выдавливая на ее поверхность более легкие породы. Этот процесс перераспределения масс происходит и сейчас, выражаясь в грозном явлении землетрясений.

В поверхностных слоях Земли, где скопились радиоактивные вещества, выделялось и выделяется (при радиоактивном распаде) значительное количество тепла. В недрах Земли образуются очаги расплавленного вещества, откуда через жерла вулканов на земную поверхность извергается лава.

Гипотеза Шмидта объясняет основные закономерности Солнечной системы – формы, размеры и расположение планетных орбит, распределение планет в пространстве в связи с их массой и многое другое. В частности, она сумела объяснить разделение планет на две группы – планеты земного типа и планеты-гиганты. Первые образовались из близких к Солнцу частей «протопланетного» облака. В этом случае под действием солнечного тепла частички льдов (воды, метана, аммиака), входящих в состав облака, испарились (точнее, сублимировались), и планеты получились небольшие, состоящие в основном из тугоплавких элементов. Вдалеке от Солнца условия благоприятствовали формированию огромных планет, состоящих в основном из легких элементов.

О. Ю. Шмидту удалось теоретически объяснить закон планетных расстояний, т. е. связь радиуса орбиты планеты е ее номером (в порядке удаления от Солнца)[34]34
  Подробнее см. в «Избранных трудах» О. Ю. Шмидта (М. Изд– во АН СССР, 1960).


[Закрыть]. По мнению О. Ю. Шмидта, «протопланетное» газово-пылевое облако было захвачено Солнцем при его движении вокруг центра нашей звездной системы Галактики. Хотя на частном примере О. Ю. Шмидт показал принципиальную возможность захвата, сама идея о захвате «протопланетного» облака теоретически была плохо обоснована, и эта часть гипотезы Шмидта оказалась самой слабой.

В рамках гипотезы Шмидта плохо разработан вопрос о происхождении спутников планет, например Луны, которая обладает относительно большой массой и вместе с Землей образует двойную планету. Остались необъясненными обратное вращение Венеры, положение оси вращения Урана и ряд других деталей, пусть второстепенных, но требующих все-таки объяснения.

Более существенно то, что осталась непонятной главная особенность Солнечной системы – «неестественное» распределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Солнце вращается вокруг оси очень медленно, и потому из общего «запаса движения» (т. е. момента количества движения) Солнечной системы на его долю приходится лишь 2 %. Откуда у планет остальные 98 % «запаса движения» – неясно.

Для расслоения Земли на тяжелое ядро и более легкие внешние оболочки требуется, чтобы вязкость первичного ее вещества (а значит, и ее температура) была значительной. Расчеты показывают, что одна радиоактивность такой разогрев дать не может. Последователи О. Ю. Шмидта (в частности, В. С. Сафронов) полагают, что на первичную Землю падали тела астероидных размеров (до 1000 км в поперечнике) и их удары разогрели внешние слои первичной Земли до 1500 °C.

Надо заметить, что это объяснение малоубедительно. Во-первых, оно количественно пока плохо обосновано, а во-вторых, неясно, откуда взялись бомбардирующие Землю тела астероидных размеров, если Земля и планеты уже в основном сформировались, т. е. вещество «протопланетного» облака было исчерпано.

В гипотезе Шмидта Солнцу отводилась в основном чисто механическая роль – динамического центра Солнечной системы. Между тем в настоящее время почти все космогонисты пришли к выводу, что происхождение Земли и планет следует рассматривать в тесной связи с происхождением Солнца.

Совместно с Солнцем

В 1960 г. акад. В. Г. Фесенков, много лет работавший в области космогонии, предложил гипотезу, существенно отличающуюся от гипотезы Шмидта. По мнению В. Г. Фесенкова, планеты должны были сформироваться одновременно с Солнцем из одного газово-пылевого облака при его постепенной конденсации. Конденсируясь в компактное тело, Земля должна была постепенно разогреваться за счет уменьшения потенциальной энергии при этом терять легкие газы своей атмосферы. Подобная потеря вещества происходила и при эволюции других планет, поэтому, как считал В. Г. Фесенков, современные планеты представляют собой лишь ядра первичных огромных «протопланет», растерявших при разогревании и по другим причинам основную часть своей массы.

Эта гипотеза не была подкреплена какими-либо расчетами, а основная идея была заимствована В. Г. Фесенковым у американского астрофизика Ф. Уиппла, который еще в 1948 г. опубликовал гипотезу, где рождение Солнечной системы рассматривалось как результат конденсации глобулы – огромного шаровидного пылевого облака. Такие объекты с поперечником от 10 до 35 тыс. астрономических единиц (а. е.) действительно наблюдаются на фоне некоторых газово-пылевых туманностей. Однако совершенно неясно, могут ли глобулы сгущаться в звезды и планеты. Для того чтобы пылевая туманность начала сгущаться, она должна иметь вполне определенные массу, плотность, температуру и другие физические параметры. Расчеты последних лет показали, что лишь в исключительных случаях при высокой плотности в пылевом облаке начнется процесс конденсации. Известные астрономам газово-пылевые туманности соответствующими свойствами не обладают.

Как уже отмечалось, Солнце вращается очень медленно, а основной «запас движения» в Солнечной системе приходится на долю планет. Чтобы объяснить этот факт, некоторые современные космогонисты (английский астрофизик Ф. Хойл и другие) привлекли к объяснению происхождения Солнечной системы электрические и магнитные силы. При этом они предполагали, что планеты когда-то отделились от Солнца – старая идея, подкрепленная некоторыми фактами из современной звездной астрономии.

Дело в том, что гигантские горячие звезды, массы которых в десятки раз больше солнечной, вращаются так быстро, что точки на их экваторе движутся со скоростью 300–500 км в секунду (для Солнца эта скорость близка всего к 2 км в секунду). Менее горячие и массивные звезды вращаются медленнее, и это убывание скорости вращения происходит непрерывно и постепенно вплоть до желтовато-белых звезд с температурой поверхности около 8000 °C. А дальше – резкий скачок: у звезд типа Солнца и более холодных экваториальные скорости сразу становятся очень малыми, порядка нескольких километров в секунду. При этом такие важные характеристики звезд, как температура поверхности, светимость и масса, продолжают меняться от одного класса звезд к другому медленно и постепенно. Что же вызвало скачок?

Так как быстро вращающиеся желтовато-белые звезды лишь немного горячее Солнца, но имеют почти такую же массу, как Солнце, можно думать, что скачок во вращении вызван тем, что у звезд типа Солнца есть планеты, которые при малой массе, но зато больших радиусах орбит несут на себе основную долю момента количества движения. Действительно, несложный подсчет показывает, что если бы все планеты Солнечной системы упали на Солнце, оно стало бы вращаться с экваториальной скоростью около 100 км в секунду, т. е. как раз с такой же, какая наблюдается у желтовато-белых звезд!

Но если планеты на самом деле когда-то отделились от Солнца, то что затормозило Солнце и перевело основной «запас движения» на планеты? На этот вопрос дает ответ гипотеза Ф. Хойла, опубликованная им в 1960 г. Представим себе Протосолнце – быстро вращающуюся вокруг оси в ту отдаленную эпоху еще совсем молодую звезду. Если она по каким-либо причинам постепенно сжималась (рис. 30), то скорость ее вращения непрерывно возрастала.

Рис. 30. Образование планет по Ф. Хойлу. Показано расположение магнитных силовых линий внутри протопланетного облака.

В конце концов наступила эпоха ротационной неустойчивости, когда под действием центробежных сил с экватора Протосолнца (его радиус был тогда равен радиусу орбиты Меркурия) началось истечение вещества, которое образовало «протопланетное» облако, имевшее форму сплющенного диска.

Допустим, что Протосолнце, сгустившееся газово-пылевой туманности, обладало сильным магнитным полем, вещество «протопланетного» облака хотя бы частично содержало ионизированный газ. В таком случае в этом газе возникало собственное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Протосолнца. В результате между диском и центральным сгущением (будущим Солнцем) установилось сильное магнитное «сцепление», вследствие которого вещество диска удалилось от центра, распространяясь на всю Солнечную систему, а Протосолнце, теряя момент, продолжало сжиматься и в конце концов превратилось в современное медленновращающееся Солнце.

Таким образом, по Ф. Хойлу, магнитное торможение вращающегося Протосолнца окружающей его туманностью привело к переходу момента количества движения от Протосолнца к облаку, а значит, и к сгустившимся из него планетам. Однако эта остроумная схема, объясняющая одну из главных загадок Солнечной системы, сама нуждается в солидном обосновании.

Расчеты показывают, что у горячих звезд атмосфера охвачена интенсивной конвекцией, и магнитное поле при этом располагается почти целиком внутри звезды. Значит, если Протосолнце было горячо, намагнитить «протопланетное» облако оно не могло. Если же оно было холодным, то облако «раскручивалось» магнитным полем звезды столь быстро, что протопланетный диск просто не успевал сформироваться и не смог принять на себя основной доли момента количества движения.

Гипотезы о совместном возникновении Солнца и планет в последнее время предложили также А. Камерон, Э. Шацман и другие астрофизики. Но и их объяснения страдают теми же недостатками, что и гипотеза Ф. Хойла. Сам механизм отделения планет от Протосолнца остается физически необоснованным, как, впрочем, и процесс сгущения газово-пылевого облака в Протосолнце. Может быть, планеты и сформировались совместно с Солнцем, но как именно это произошло, пока никто не знает.

«Горячее» рождение Земли

Может быть, Земля и планеты родились в итоге какого-нибудь катастрофического события?

Родоначальник научной космогонии французский естествоиспытатель Бюффон в первой половине XVIII века, т. е. еще до Канта и Лапласа, высказал гипотезу, что Земля и другие планеты возникли при падении на Солнце огромной кометы. Ошибочно полагая, что массы комет огромны, сравнимы с массой Солнца, Бюффон считал, что при столкновении кометы с Солнцем произошло что-то похожее на падение камня в лужу: из горячих солнечных «брызг» сгустились остывшие затем планеты.

Разумеется, сегодня эти идеи Бюффона кажутся по меньшей мере наивными. Но они оказали заметное влияние на дальнейшее развитие космогонии. Наиболее полно «катастрофические» варианты рождения планет были разработаны в 1916–1927 гг. английскими астрофизиками Джинсом и Джеффрейсом.

По мнению Джинса, несколько миллиардов лет назад мимо нашего Солнца, которое в ту пору было одиночной звездой, пролетела другая звезда. Сближение двух звезд было настолько тесным, что из Солнца под действием тяготения «чужой» звезды, вырвалась горячая сигарообразная газовая струя. Виновница этой катастрофы улетела в глубины Галактики, а из газовой струи сгустились планеты. В варианте, предложенном Джеффрейсом, Солнце столкнулось со звездой, что напоминает старую идею Бюффона.

Но все эти «катастрофические» гипотезы оказались несостоятельными. Строгие расчеты показали, что из Солнца не могла вырваться сигарообразная газовая струя, а если бы даже это и произошло, то она не сгустилась бы в планеты. Кроме того, тесное сближение, а тем более столкновение двух звезд – событие настолько маловероятное, что планетные системы были бы исключительной редкостью во Вселенной. Факты, однако, говорят о другом.

Если вокруг звезды обращается невидимая с Земли планета, то ее присутствие можно обнаружить прежде всего по тем отклонениям, которые она вызывает в пространственном движении звезды. В самом деле, движение одиночной, лишенной спутников звезды в пространстве (на сравнительно небольшом участке) будет почти прямолинейным и равномерным. Но если звезда имеет хотя бы одного достаточно массивного спутника, то, обращаясь по законам небесной механики вокруг общего центра тяжести, звезда и ее спутник будут двигаться в пространстве по сложным извилистым кривым. Чем массивнее спутник звезды, тем более извилистым будет ее путь. Значит, тщательно изучая движение звезд, можно не только установить, есть ли у них невидимые спутники, но и вычислить массы этих спутников.

Еще в 1937 г. шведский астроном Хольмберг, исследуя полет ближайших звезд в пространстве, установил, что вокруг многих из них должны обращаться невидимые спутники, масса которых сравнима с массой крупнейших планет Солнечной системы.

Позже подобными исследованиями занимались несколько ученых, в том числе пулковский астроном А. Н. Дейч, который очень хорошо изучил одну из ближайших к Земле звезд – 61-ю из созвездия Лебедя. По его данным, вокруг этой звезды с периодом около 5 лет обращается темный спутник, масса которого составляет 0,008 массы Солнца. Напомним, что величайшая из планет Солнечной системы Юпитер почти в тысячу раз легче Солнца. Значит, невидимое тело в системе звезды 61 Лебедя примерно в 10 раз массивнее Юпитера. Для планеты такая масса слишком велика. Даже у Юпитера давление в центре такое высокое, что температура, по подсчетам Н. А. Козырева, должна достигать там 150 000 °C. Тело с массой в 10 раз больше должно быть скорее звездой, чем планетой.

Здесь, впрочем, надо отметить одно важное обстоятельство, на которое впервые еще в 1951 г. обратил внимание Б. В. Кукаркин. Представим себе, что мы наблюдаем Солнце с Альфы Центавра– ближайшей из звезд. Ни в один из современных телескопов мы планет, конечно, не заметим. Однако, изучая движение Солнца в пространстве, можно обнаружить, что оно движется криволинейно. Наибольшие отклонения вызовут Юпитер и Сатурн, причем в те моменты, когда эти крупнейшие из планет будут находиться одновременно по одну сторону от Солнца. Такие моменты повторяются каждые 59 лет. Что касается остальных планет, то неправильности, вносимые ими в движение, столь малы, что мы склонны приписать их погрешностям наблюдений.

Таким образом, изучая Солнце с Альфы Центавра, мы придем к выводу, что вокруг Солнца с периодом 59 лет обращается невидимый спутник, масса которого равна сумме масс Юпитера и Сатурна. Судя по всему, столь же ошибочны и наши современные представления о больших массах невидимых спутников звезд. Естественно полагать, что определяемые нами массы являются суммарными массами нескольких самых крупных планет этих невидимых планетных систем.

Чем дальше звезда, тем менее заметны с Земли неправильности в ее движении и, следовательно, тем труднее обнаружить вокруг нее планетную систему. Тем не менее в итоге многолетних исследований голландский астроном Ван де Камп доказал, что вокруг одной из близких к нам звезд («Летящая» звезда Барнарда, расстояние около 6 световых лет) обращаются три невидимых спутника, массы которых (в долях массы Юпитера) равны 1,26, 0,63 и 0,89, а расстояния от звезды соответственно 4,5, 2,9 и 1,8 астрономических единиц. Иначе говоря, наконец с полной достоверностью открыта соседняя планетная система. Есть серьезные основания полагать, что среди 100 ближайших к Солнцу звезд 43, возможно, обладают планетами, пригодными для форм жизни, подобным земным. Во всяком случае несомненно, что планетные системы – частые объекты космоса, а значит, образоваться случайно они не могли. Тем самым, космогонические гипотезы типа гипотезы Джинса должны быть отвергнуты как явно противоречащие фактам.

Какой же тогда закономерный процесс приводит к рождению планетных систем? Нельзя ли планетную космогонию связать с идеями В. А. Амбарцумяна о рождении звезд из сверхплотных и энергичных дозвездных тел?

Попытки с этих позиций решить проблему происхождения Земли и планет предприняты в последнее время известным советским исследователем комет С. К. Всехсвятским. «Имеется много оснований считать первичные планеты („протопланеты“), – пишет он, – телами звездной природы. Солнце могло быть компонентом двойной системы, сохранившимся после того, как второй компонент разделился на более мелкие части в результате взрыва»[35]35
  Подробнее см. в работе С. Доула «Планеты для людей» (М. «Наука», 1974).


[Закрыть]. Действительно, планеты-гиганты и Солнце близки по химическому составу. У планет земного типа легкие элементы могли улетучиться в процессе эволюции. Известны звезды в двойных системах, по массе близкие к крупным планетам. Значит, гипотетический спутник Протосолнца мог иметь массу, близкую к суммарной массе планет. Взрыв этого спутника (и здесь гипотеза С. К. Всехсвятского смыкается с идеями В. А. Амбарцумяна), вероятно, произошел в результате взрывообразного превращения находившегося внутри него дозвездного вещества.

«Осколки» спутника были малы и поэтому быстро охладились, вследствие чего возникли сложные молекулярные соединения и первые следы твердых оболочек будущих планет. «Дальнейший процесс, – по мнению С. К. Всехсвятского, – должен был иметь характер отдельных подъемов активности, когда накапливающиеся под корой газы прорывали ее. С течением времени оболочка метаморфизировалась, усложнялась и укреплялась, что приводило ко все более длительным промежуткам активности и, следовательно, накапливанию большей энергии разрушений». И сегодня, как показал С. В. Всехсвятский во многих своих работах, в Солнечной системе наблюдаются эруптивные, взрывные процессы – остаток «звездной» энергии ныне затвердевших планетных тел.

«Планеты, содержащие столь большие запасы внутренней энергии, не могли начать свое развитие со стадии холодных тел, сконденсировавшихся из газово-пылевой среды. Единство их химического состава и масштабы эруптивной эволюции говорят о том, что они образовались как тела звездной природы. Только предположение о том, что вещество планет – это звездное вещество, еще сохраняющее запасы или источники звездной энергии, может соответствовать всей совокупности описанных выше фактов. Фаза планет поэтому может оказаться дальнейшей фазой распада и дезынтеграции звездного вещества»[36]36
  Сборник «Проблемы современной космогонии». М., «Наука», 1972, с. 195, 378.


[Закрыть].

Как убедился читатель, на «детский» вопрос – «откуда взялась Земля?» – пока не существует определенного, общепризнанного ответа. Обилие гипотез – признак недостатка фактических знаний. В этих условиях особую роль приобретает сравнительное изучение Земли и подобных ей космических тел – планет и спутников Солнечной системы. Все эти тела, несомненно, несут в себе пока скрытую для нас информацию о своем происхождении, общем с Землей.