6.2. Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций.

Жизнь на какой-нибудь планете должна проделать огромную эволюцию, прежде чем стать разумной.

Движущая сила этой эволюции – способность организмов к мутациям и естественный отбор – процессы, носящие случайный, статистический характер.

Кроме того, для эволюции живых организмов от простейших форм (вирусы, бактерии) к разумным существам необходимы огромные интервалы времени (на примере нашей планеты 3,5 млрд лет).

Только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, мы можем ожидать присутствия высокоорганизованных живых существ.

Для возникновения и развития жизни на планете необходимо, чтобы выполняться ряд условий общего характера:

1. Жизнь на планете может существовать, когда на планете имеется достаточное количество сложных молекулярных соединений. Само образование таких соединений, химические реакции между ними, в конечном итоге давшие начало живому веществу, жизнедеятельность появившихся организмов требуют, в частности, подходящих температурных условий. Слишком высокие и слишком низкие температуры исключают возможность возникновения и развития жизни. Губительны и очень резкие колебания температуры. Для жизнедеятельности живых организмов значительно «опаснее» очень высокие температуры, чем низкие (так например, простейшие виды вирусов и бактерий могут существовать и при температуре, близкой к абсолютному нулю, правда, в состоянии анабиоза).

2. Очень важное значение имеют масса и химический состав ее атмосферы.

В настоящее время мы не можем даже приблизительно оценить, у какого количества звезд есть планеты, на каких из них могла зародиться жизнь? Насколько она успела воспроизвести разумные существа и технику, допускающую возможность обмена по радио информацией с другими цивилизациями? Как часто встречаются в Космосе цивилизации, способные на это одновременно с нами? Что в галактике таких цивилизаций много, это несомненно при самых скупых подсчетах. Но чтобы такая цивилизация оказалась достаточно близкой к нам, чтобы имело смысл «разговаривать» с ней, это дело случая. Ведь радиосигналы между близкими звездами будут идти десятки лет и столько же лет проходить до ответа.

Быстрое развитие науки и техники скоро сделает проблему поиска иных цивилизаций более ясной.

Тема 7. Астрономия и естествознание

7.1. Происхождение звезд.

7.2. Космогенические гипотезы.

7.3. Происхождение Солнечной Системы и Земли.

0. Происхождение звезд.

По современным представлениям родившаяся после невероятно больших уплотнений и разогревания «расширяющаяся горячая» Вселенная состояла из разреженного водородного газа, содержащего около 25 % гелия. В результате гравитационной неустойчивости в газе образовывались локальные сгущения — газовые облака, а из них протогалактики.

Среди них:

1. около 50 % имели центральные уплотнения и начинали вращаться, дав начало наиболее распространенным спиральным галактикам, к которым принадлежит и наша Галактика.

2. Из облаков, имевших невращающиеся уплотнения, возникали эллиптические галактики, которые сейчас составляют около 25 % всего их количества.

3. Из остальных сгущений образовывались неправильные галактики.

Затем в результате гравитационной неустойчивости, вызывавшейся внутренними и внешними воздействиями расширяющиеся протогалактики распадались на отдельные сжимающиеся хаотично расположенные туманности. Из них возникали звезды первого поколения и шаровые звездные скопления, (в частности, ядро Галактики).

Таким образом, наиболее вероятная схема процесса звездообразования такова:

гравитационная конденсация (сжатия), приводящая к появлению протозвезд (глобул, планетарных туманностей, «звезд коконов» и др.)

↓

термоядерные реакции, обусловливающие существование большинства наблюдаемых звезд

↓

гравитационный коллапс, следствием которого являются нейтронные звезды, черные дыры

↓

сверхновые звезды.

Звезда представляет собою уравновешенный газовый шар, в котором гравитационное сжатие уравновешивается сопротивлением внутреннего давления, а огромный длительно генерируемый приток внутренней ядерной энергии компенсируется колоссальным ее выделением в виде света, тепла, радиоактивного, рентгеновского и других видов излучений.

Очень длительные фактически наблюдаемые эволюции звезд связаны с течением ядерных реакций, которые в основном только и контролируют возникающие со временем изменения внутреннего строения и состава звезд.

Звезды первого поколения (возраста 18—15 млрд лет) состояли примерно на 75 % из водорода (по массе) и на 25 % из гелия с ничтожной примесью дейтерия и лития. В ходе эволюции этих звезд медленно возникали и тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева). Медленный нуклеосинтез происходил в течение многих десяков и сотен миллионов и даже миллиардов лет, т.е. очень длительно (S-процесс).

Ядерное горение могло продолжаться до образования элементов группы железа. Постепенное исчерпание ядерного горючего и потеря внешних оболочек приводили к обнажению раскаленных (до 2 • 10⁵ К) и чрезвычайно плотных (около 10⁶ г/см³) ядер звезд, излучающих за счет ранее запасенной энергии. Так рождались «белые карлики» с массами, близкими к солнечной, но с радиусами примерно в 100 раз меньшими. Помимо довольно многочисленных белых открыты желтые, красные и даже черные карлики.

На всех стадиях эволюции звезды вращались и теряли часть своей массы в результате истечения вещества преимущественно из экваториальной части. У относительно старого (около 5 млрд лет), медленно вращающегося сейчас Солнца (скорость на экваторе около 2 км/с), истечение вещества («солнечный ветер») сейчас весьма мало.

7.2. Космогенические гипотезы.

По данным О.Ю. Шмидта (1962) все гипотезы можно разделить на планетные и звездные.

Таблица 7.

Планетные гипотезы	Звездные гипотезы
Докантовские до середины XVIII века (Р. Декарт - 1664 г., И. Ньютон - 1687 г., Ж. Бюффон - 1749 г.)	XIX века наиболее обоснованные гипотезы В. Гершеля (1811) и Д. Лейна (1871)
Канта-Лапласса вторая половина XVIII - начало XIX веков (И. Кант - 1755 г., П. Лаплас - 1796 г.)	XX века — гипотезы Г.Н. Рассела (1914), В.Г. Фесенкова (1919, 1960), С.К. Всехсвятского (1933), О.Ю. Шмидта (1943), В.А. Амбарцумяна и Б.Е. Маркаряна (1947), К. Вейцзеккера (1949, 1951), Дж. Койпера (1949-1956), О.Ю. Шмидта (1957), X. Альвена (1958), Ф. Хойла (I960), С.С. Гамбурга (I960), Г.В. Войткевича (1979) и др.
Катастрофизма конца XIX - начала XX веков (Чемберлин-Мультон, 1900 г., Т. Си - 1911 г., Дж. Джине - 1917, Г. Джеффрис - 1929 г., Р. Литтлтон - 1936 г., Ф. Хойл - 1946 г.).

С гипотезы учения Имануилла Канта («Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов», 1755 г) начинается научная космогония, опровергнушая идею о начальном «божественном толчке», которым до этого, согласно И. Ньютону, объяснялось возникновение и движение планет Солнечной системы. И.Кант пытался создать стройную и логически развивающуюся картину Мира, основываясь лишь на «несомненных, простых, начальных и общих физических силах — а именно на притяжении и отталкивании». Он считал, что материя, наполняющая Мир была первоначально «разложена на элементарные части» и заполняла все пространство Вселенной в виде хаотического холодного пылеобразного облака. Частицы были различной крупности и поэтому под влиянием вышеуказанных сил тяготения начали слипаться друг с другом, стали приходить в движение, которое постепенно упорядочивалось. Процесс упорядочения захватывал огромные участки Вселенной; этим Кант объяснял формирование не только планет Солнечной системы, но и звезд.

В центрах сгущения в результате соударения частиц и действия гравитационных центростремительных сил траектории отдельных частиц из прямолинейных превращались в дугообразные, многие движения взаимно погашались, и постепенно вырабатывалось общее вращательное движение всего сгущения в одну сторону. Центробежные силы придали вращающейся туманности сплюснутую форму. Аналогичным образом внутри большого сгущения возникали меньшие, а внутри них еще более мелкие сгустки - планеты и их спутники.

Согласно Лапласу («Изложение системы мира» (1796).), Солнечная система произошла из раскаленной вращающейся туманности, имевшей вид чечевицы и простиравшейся за пределы нынешней орбиты Нептуна. Развитие Солнечной системы началось с гигантской расширяющейся газовой туманности, уже медленно вращавшейся вокруг своей оси как твердое тело и имевшей в центре сгусток - зародыш будущего Солнца.

Охлаждение и притяжение к центру заставляло вращающуюся туманность сжиматься, а ее уменьшение, по законам механики, приводило к прогрессирующему ускорению вращения. Наступал, наконец, момент, когда на экваторе туманности, где линейные скорости частиц были больше, центробежные силы уравновешивали силу притяжения к центру. В этот момент вдоль экватора туманности отслаивалось газовое кольцо, вращавшееся в ту же сторону, что и туманность. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо сгусток в нем притягивал к себе остальное вещество и образовывался один раскаленный газовый клубок - будущая планета. Наружные части кольца, а впоследствии сгустка, при обращении как бы забегали вперед и приводили сгусток к вращению вокруг оси в ту же сторону.

Охладившись, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в планеты, а центральный сгусток породил Солнце. Так как туманность ко времени отделения от нее колец имела чечевицеобразную форму, то орбиты всех планет оказались лежащими в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца. Сгустки-зародыши планет аналогичным образом могли отслаивать кольца и порождать спутники. Если же в таких кольцах не было резко выраженных центров сгущения, то они разбивались на множество мелких затвердевших тел. как это можно видеть на примере Сатурна. При создании своей гипотезы Лаплас опирался на известные тогда данные о движении планет и на наблюдения английского астронома У. Гершеля над туманностями, которые имели ясно выраженные ядра и вид чечевиц.

Гипотезы Канта и Лапласа были объединены и стали именоваться небулярной (nebula — по латински «туман») гипотезой Канта—Лапласа. Она считалась классической и была общепризнанной более ста лет. В XX в. этой гипотезе, в связи с возросшим уровнем знаний, были противопоставлены серьезнейшие возражения, аименно:

1) плотность первоначальной газовой гуманности была очень мала, в связи с чем туманность не могла вращаться, как твердое тело;

2) отрыв вещества происходил не кольцами, а непрерывно;

3) газообразные кольца с массами, равными массам планет, не могли сгуститься, а рассеялись бы в пространство;

4) вращение планеты Уран и вращение ряда спутников вокруг планет направлено против вращения планет вокруг Солнца;

5) один из спутников Марса обращается вокруг планеты быстрее, чем вращается сам Марс

и др.

Из гипотез XX века наиболее обоснована гипотеза О.Ю. Шмидта (1957) которая объясняет особенности распределения момента количества движения в Солнечной системе. Солнце содержит 99 % обшей массы системы и только 2 % момента количества движения: на планеты же приходится около ¹/750 массы, но 98 % момента количества движения. Для объяснения этого явления Шмидт предположил, что вещество, из которого возникли планеты, было захвачено Солнцем при его движении среди Галактики. Первоначально предполагался захват роя тел, а позднее — захват пылегазового облака, собственное движение которого в Галактике и преобразовалось в современное большое значение момента количества движения планет. При столкновении с Солнцем облако вследствие потери части кинетической энергии сплющивалось, становилось более плотным, приобретало вращение, и далее в нем формировался рой отдельных холодных небольших сгущений, которые впоследствии объединились в планеты и другие тела Солнечной системы. По мере своего роста «зародыши» все сильнее влияли друг на друга своим притяжением. При этом орбиты мелких «зародышей» изменились сильно, крупных - незначительно, что нашло себе отражение в малой вытянутости орбит планет-гигантов. О.Ю. Шмидт вычислил, что удельный момент количества движения планет пропорционален корню квадратному из радиуса их орбит.

Деление планет на две группы он объяснил следующим образом. Пылегазовое облако, окружавшее Солнце, состояло в основном из легких газов - водорода и гелия. Наряду с ними присутствовали и более сложные элементы (кремний, железо и другие), но количество их было значительно меньшим. Диск образовавшийся из первичного облака был очень непрозрачным. Потому лучи Солнца смогли проникнуть лишь в близлежащие к нему области, а в далеких частях диска температура понизилась до - 270 °С. В результате вблизи Солнца смогли существовать частички только из тугоплавких материалов. В далекой холодной части диска частички укрупнялись за счет намораживания на них газов. В силу этого средняя часть диска получилась утолщенной. Если частички из холодной области попадали в близкую к Солнцу зону, то они испарялись. В результате вблизи Солнца образовались небольшие планеты, состоящие из тяжёлых каменистых веществ, а вдали от него - планеты-гиганты, содержащие более легкие элементы.

Серьезным недостатком этой гипотезы считается то, что проблема происхождения планет и их спутников объясняется без учета возникновения радиоактивных и тяжелых земных элементов и вне связи с процессом образования Солнца, хотя оно является главным и определяющим членом системы. Солнце с его исключительно большой массой, несомненно, играло ведущую роль в формировании всей системы, и, естественно, игнорировать это здесь нельзя. Гипотеза Шмидта не разрешила вопроса и о происхождении околосолнечного облака. Вместе с тем, благодаря хорошей математической разработке отдельных вопросов, она приобрела значительную популярность.

По гипотезе Г.В. Войткевича (1956), первоначальное Солнце образовалось из холодной рассеянной материи путем свертывания газовых волокон. Оно было очень массивным и обладало небольшим моментом количества движения. Вскоре первоначальное Солнце прошло стадию гравитационного сжатия, в результате чего в центральных частях вещество уплотнилось и образовалась нейтронная фаза за счет «втискивания» электронов в ядра атомов. Образование нейтронной фазы способствовало резкому уменьшению объема и сжатию Солнца, что определило увеличение скорости вращения и рост центробежной силы на экваторе. В результате давление в экваториальном поясе понизилось и нейтронное вещество стало рассеиваться с образованием тяжелых ядер и облучением нейтронами ядер легких элементов периферических частей Солнца.

По экватору происходило истечение вещества, что привело к образованию газового диска. Одновременно с этим распадались ядра элементов, пересыщенных нейтронами, путем бета- и альфа-распада и деления. При таких условиях обязательно должны были образовываться и трансурановые элементы. Вещество, выброшенное Солнцем, состояло в значительной мере из радиоактивных неустойчивых, и том числе и заурановых элементов. Оно и пошло на образование планет, но большая его часть рассеялась в пространстве.

Выброшенное вещество было чрезвычайно радиоактивным и в основном состояло из таких элементов, которые к настоящему времени уже «вымерли» благодаря кратковременному периоду их распада (10⁶-10⁸ лет). Следы этих элементов мы сейчас находим на Земле в виде тория-232 (результат распада урана-235), висмута-209 (результат распада нептуния-237) и ряда других элементов. В течение 10⁶--10⁸ лет радиоактивность выброшенного Солнцем вещества была чрезвычайно высока. И даже если это вещество могло сильно охладиться, то оно в течение указанного времени сохраняло способность к быстрому разогреванию при конденсации. Поэтому происхождение Земли и ее развитие нельзя изучать в отрыве от исследования процессов, некогда определивших естественный синтез радиоактивных и стабильных тяжелых химических элементов.

Г.В. Войткевич (1979), основываясь на исследованиях Дж. Вуда, отметил роль метеоритов, указывающих своими хондрами на особенности возникновения первичных сгущений. Хондры - это затвердевшие капли «огненного дождя», выпавшего из протопланетного газового облака при его охлаждении ниже 2000⁰С. Первыми конденсировались капли железа, никеля, далее силикаты, сульфиды, некоторые окислы и, наконец, уже при отрицательных температурах, - вода. Все это происходило в условиях давления солнечных лучей, которое сбросило легкие газы к периферии диска. Образование планет земной группы происходило из более тугоплавкого вещества, обогащенного металлами.