«ФИЗИКА ЗЕМЛИ И ГЕОДИНАМИКА Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика Петропавловск – ...»

КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ВИТУСА БЕРИНГА

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ГЕОГРАФИИ, ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ

ИНСТИТУТ ВУЛКАНОЛОГИИ И СЕЙСМОЛОГИИ ДВО РАН

ФИЗИКА ЗЕМЛИ

И

ГЕОДИНАМИКА

Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика Петропавловск – Камчатский 2009 УДК 528.2+550.3+551.1 ББК 26.891 Рецензенты:

Ведущий научный сотрудник сектора геодинамики Музея землеведения МГУ доктор геол. - мин. наук Ю.И. Галушкин Заведующий сектором геодинамики Музея землеведения МГУ доктор технических наук Е.П. Дубинин Викулин А.В.

Физика Земли и геодинамика. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамГУ им. Витуса Беринга, 2008. 463 с.

ISBN 5-7968-0358-1 (978-5-7968-0358-5) Книга является вторым, переработанным, изданием «Введения в физику Земли», вышедшего в свет в Петропавловске-Камчатском в 2004 г.

Книга состоит из двух частей. Первая часть включает все ставшие уже классическими разделы физики Земли: «Материя. Движение», «Фигура Земли и ее внутреннее строение», «Физика землетрясений», «Строение и состояние Земли по данным сейсмологии», «Плотность, сила тяжести и давление внутри Земли», «Гравитационное поле Земли», «Геомагнитное поле», «Тепловое поле Земли», «Реология Земли, природа ее основных слоев и разделяющих их границ».

Вторая часть книги «Введение в «вихревую» геодинамику» является разделом, написанным на основании новых научных результатов, полученных как самим автором, так и другими исследователями. Эта часть книги представляет первую попытку поновому, с позиции важности вращательных и вихревых движений в геологии, подойти к объяснению геодинамических процессов и «через них» к физическому состоянию недр Земли.

Допущено Учебно-Методическим Объединением по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика.

ISBN 5-7968-0358-1 (978-5-7968-0358-5) © Викулин А.В.

© КамГУ им. Витуса Беринга

ПРЕДИСЛОВИЕ

(из введения к изданию 2004 г.) «… и все-таки она вертится»

Галилео Галилей Несколько лет тому назад при Камчатском государственном педагогическом университете (КГПУ) была открыта новая кафедра «Географии, геологии и геофизики».

Встал вопрос о преподавании предметов геофизических специальностей.

Настоящее учебное пособие составлено в полном соответствии с программой дисциплины «Физика Земли» для специальности 011200 «Геофизика», утвержденной Министерством образования Российской Федерации в 2000 г. В качестве основы курса были взяты материалы, изложенные в ставших теперь классическими монографиях Г.

Джеффриса [1960], Б. Гутенберга [1963], В.А. Магницкого [1965], Ф. Стейси [1972], М.

Ботта [1974], К.Е. Буллена [1978] и других. В этих монографиях авторы старались подать материал так, чтобы он, по возможности, освещал физику всех составляющих предмета, тем самым, создавая единую картину о сложных геофизических явлениях, протекающих в пределах всех слоев Земли. Следует сказать, что этими авторами под разными углами зрения и с разной детальностью такая общая картина жизни Земли была создана.

Многочисленные данные, постоянно появляющиеся в геофизических узкоспециализированных научных журналах, постоянно «высвечивают» те недоработки и «натяжки», которые с неизбежностью всегда возникали и теперь возникают у авторов, пытающихся построить на достаточно высоком физическом уровне единую картину «жизни» Земли, других планет солнечной системы, звезд, галактик и всей Вселенной. В последние годы появились монографии, авторы которых предприняли попытки построения достаточно общей картины геофизических процессов, протекающих на Земле и других планетах солнечной системы, исходя из нетрадиционных представлений, основанных на новых данных. К числу таких работ, в первую очередь, следует отнести монографии К.Ф. Тяпкина [1998], В.В. Орленка [2000], В.В. Кузнецова [2000] и К.Г. Леви с соавторами [2002, 2003]. Их авторы на протяжении уже многих лет читают курсы «Физика Земли», «Геофизика» и «Современная геодинамика и гелиогеодинамика» в высших учебных заведениях в разных городах бывшего СССР. В этом ряду следует выделить оригинальные монографии А.И. Дмитриевского, И.А. Володина и Г.И. Шипова [1993] и Ю.С. Потапова, Л.П. Фоминского и С.Ю. Потапова [2000]. Интересно отметить, что новыми, нетрадиционными моментами всех этих новых книг являются идеи, связанные с важностью для геофизических явлений, в первую очередь, ротационных движений.

В предлагаемой читателям книге автор предпринял попытку совместить в рамках одного курса и «классические» и «нестандартные» (по крайней мере, в настоящее время) представления. Новым моментом книги является идея важности вращательного момента блоков земной коры. Насколько это автору удалось, судить читателю.

Благодарности. Автор благодарит рецензентов сотрудников музея Землеведения МГУ д.т.н. Ю.И. Галушкина и д.г.-м.н. Е.П. Дубинина за труд по изучению книги и внесения в нее существенных замечаний. Автор признателен И.В. Мелекесцеву за дискуссии и обсуждение работы на всех ее этапах; М.А. Магуськину, А.В. Кирюхину и В.И. Дядину за прочтение отдельных глав, замечания и дополнения; В.М. Нановскому и С.А. Викулиной за помощь при изготовлении рисунков; Д.Р. Акмановой и Н.А. Осиповой за помощь при подборе материалов и построение рисунков второй части книги. Автор признателен Е.А. Сиваеву за труд по редактированию книги.

ВВЕДЕНИЕ

Все основные разделы, слагающие «Физику Земли», с разной полнотой и достаточно подробно изложены в ставших уже классическими монографиях Е.Ф.

Саваренского и Д.П. Кирноса [1955], Г. Джеффриса [1960], Б. Гутенберга [1963], В.С.

Сафронова [1969], В.Н. Жаркова, В.П. Трубицына, Л.В. Самсоненко [1971], Е.Ф.

Саваренского [1972], Ф. Стейси [1972], М. Ботта [1974], С.А. Ушакова [1974], К.Е.

Буллена [1978], Е.В. Артюшкова [1979], В.С. Сафронова, А.В. Витязева [1983], А.В.Витязева, Г.В. Печерниковой, В.С. Сафронова [1990], и др. Наиболее полно и последовательно все данные по внутреннему строению и физике Земли представлены в известных книгах В.А. Магницкого [1953, 1965], на которых, по сути, и выросли все российские и многие из зарубежных геофизиков.

Книга В.А. Магницкого [1965] «Внутренне строение и физика Земли», представляет собой законченное, последовательное и в разумных пределах взаимно согласованное описание всех основных разделов, характеризующих внутреннее строение Земли и ее физику. По сути, к курсу «Физика Земли», созданному В.А. Магницким, в настоящее время нового добавить практически нечего, поскольку он опирается на весь экспериментальный сейсмологический и электромагнитный «наземный» материал и данные наблюдений со спутников о внутреннем строении Земли, который в обозримом будущем существенным образом пополнен быть не может. Сейчас, как и почти полвека назад, в 1961 г.: «В настоящее время состояние науки в рассматриваемой области (в области физики Земли – А.В.) таково, что нет достаточного количества данных, позволяющих выработать вполне обоснованную теорию развития Земли» [Магницкий, 1961, с. 33]. Подтверждением этому может служить, по сути, стереотипное переиздание книги В.А. Магницкого [2006]. И вполне закономерно, что последние книги о физике Земли опирались на материал, новизна которого определялась не физическими, а геодинамическими данными. Действительно: принципом геоизостазии [Тяпкин, 1998], представлениями об океанизации морского дна [Орленок, 2000], гелигеодинамикой [Леви и др., 2002, 2003], взаимодействием всех геосфер Земли [Хаин, Короновский, 2007], физической моделью глобальной эволюции Земли [Сорохтин, Ушаков. 2002], новой концепцией нелинейной геодинамики [Пущаровский, 2005]. Исключениями являются, пожалуй, монографии [Физика, 1989; Кузнецов, 2000, 2008] и [Бембель, Мегеря, Бембель, 2003], в которых разрабатываются в определенном смысле «взаимоисключающие» модели Земли. В первых трех - модель «горячей Земли», в третьей, наоборот, модель «ледяной»

Земли.

Видимо, по этим причинам и под «велением времени» предмет «Физика Земли»

сначала, еще при жизни В.А. Магницкого, «трансформировался» в «Общую геофизику»

[Магницкий, 1995], затем в «Основы экологической геофизики» [Трухин, Показеев, Куницын, Шрейдер, 2004] и, впоследствии, в «Общую и экологическую геофизику [Трухин, Показеев, Куницын, 2005], изданную в серии МГУ «Классический университетский учебник». Возможно, от осуществленного ИФЗ РАН под редакцией А.О. Глико переиздания книги В.А. Магницкого [2006] в ближайшие годы можно будет ожидать на основании новых, полученных в течение последних сорока лет, данных переноса экологической направленности курса опять в сторону Физики.

В 70-х годах прошлого века изучение процессов, протекающих на Земле, фактически, стало происходить, в основном, «под флагом Геодинамики» [Артюшков, 1979; Николаевский, 1996; Теркот, Шуберт, 1985; Шейдеггер, 1987]. Появились новые обстоятельные фундаментальные работы и курсы [Гончаров и др., 2005; Короновский, 2006; Хаин, Ломизе, 1995, 2005]. Попытка совмещения Физики Земли с Геодинамикой была предпринята в учебном пособии [Викулин, 2004]. Такое «перераспределение весов», на взгляд автора, произошло, в том числе и под влиянием популярнейшей в последние десятилетия Новой глобальной тектоники [1974].

Другие обстоятельства, способствовавшие такому «перераспределению весов», были связаны с установлением блокового характера геологической [Пейве, 1961] и геофизической [Садовский, 2004] сред, построением моделей их движения [Лукьянов, 1999; Садовский, 2004; Садовский и др., 1987, 1991], включая волновые [Быков, 2000, 2005; Викулин, 2003; Курленя, Опарин, 2000; Маламуд, Николаевский, 1989;

Николаевский, 1996, 2008; Опарин, Танайно, Юшкин, 2007; Шейман, Горбунова, 2008;

Bykov, 2008], установлением вращательного движения блоков и плит земной коры и литосферы [Пейве, 1961; Ротационные, 2007], включая вихревые движения [Вихри, 2004;

Ли Сы-гуан, 1958; Мелекесцев, 1979; Слензак, 1972]. Возможность и необходимость именно такого направления «совместного» развития «Физики Земли» и «Геодинамики» в дальнейшем демонстрируется материалом, представленным в последних монографиях, написанными выдающимися геологами современности [Короновский, 2006; Хаин, Короновский, 2007; Пущаровский, 2005]. Впрочем, именно такое, геодинамическое, направление развития Физики Земли уже просматривается в работе С.А. Ушакова [1974].

Более того. На всех разрезах глубоких и сверхглубоких скважин наблюдается, по крайней мере, для нижних горизонтов (Н 4,5 км), явное расхождение между результатами интерпретации геофизических работ и вскрытым геологическим разломом [Кольская, 1998, с. 217]. Эти данные позволяют предположить, что в дальнейшем успехи Физики Земли могут «прирастать» только Геодинамикой, во всяком случае, в обозримом будущем.

Все эти обстоятельства и определили направленность настоящей книги: физика Земли и геодинамика - как разделы наук о Земле, учитывающие как блоковое строение геологической и геофизической среды, так и специфику ее движения - ротационного и вихревого.

В первой части книги рассмотрены традиционные разделы физики Земли:

«Материя. Движение», «Фигура Земли», «Физика землетрясений», «Строение и состояние Земли по данным сейсмологии», «Плотность, сила тяжести и давление внутри Земли», «Гравитационное поле Земли», «Геомагнитное поле», «Тепловое поле Земли», «Реология Земли, природа ее основных слоев и разделяющих их границ» (главы 1-9 соответственно), материал в которых, за исключением главы «Физика землетрясений», представляет, по сути, переработанную компиляцию данных, изложенных в цитированных выше классических работах с акцентом, где это оказалось возможным, в сторону вращательных и вихревых движений.

Во второй части книги рассмотрены ротационные и вихревые движения, показано, что такие движения являются основными во Вселенной (глава 10). Представлен обзор сейсмотектонических моделей, поставлена и решена задача об упругом поле блоковой вращающейся среды, рассмотрены ее некоторые следствия (глава 11). Рассмотрены некоторые нетрадиционные геодинамические модели и намечены пути их разрешения в рамках механики (глава 12). Рассмотрена проблема № 1 (по А. Эйнштейну) в науках о Земле – проблема ее электромагнитного поля (глава 13). Проанализирована проблема концепции времени в геологии, выделены ее узловые, на взгляд автора, моменты, требующие своего решения в дальнейшем (глава 14). В последней, 15 главе приведена хроника развития естественнонаучных представлений о ротационных и вихревых движениях, об эфире, вакууме, торсионных полях, информации и сознании с древнейших времен до настоящего времени. В Заключении на основании 20 тыс. летней истории развития представлений о вихревых движениях сформулировано утверждение, согласно которому в рамках вихревой геодинамики самым естественным образом объединяются представления геологии с законами физики и с гипотезами зарождения и развития жизни и социума на планете.

Артюшков Е.В. Геодинамика. М.: Наука, 1979. 328 с.

Бембель Р.М., Мегеря В.М., Бембель С.Р. Геосолитоны: функциональная система Земли, концепция разведки и разработки месторождений углеводородов. Тюмень: Изд-во «Вектор Бук», 2003. 344 с.

Ботт М. Внутреннее строение Земли. М.: Мир, 1974. 376 с.

Буллен К.Е. Плотность Земли. М.: Мир, 1978. 442 с.

Быков В.Г. Нелинейные волновые процессы в геологических средах. Владивосток:

Дальнаука, 2000. 190 с.

Быков В.Г. Деформационные волны Земли: концепция, наблюдения и модели // Геология и геофизика. 2005. Т. 46. № 11. С. 1176-1190.

Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. ПетропавловскКамчатский: КОМСП ГС РАН, 2003. 150 с.

Викулин А.В. Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004. 240 с.

Витязев С.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы:

происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990. 296 с.

Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. Петропавловск-Камчатский:

ИВГиГ ДВО РАН, 2004. 297 с.

Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: КДУ, 2005. 496 с.

Гутенберг Б. Физика земных недр. М.: ИЛ, 1963. 264 с.

Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и развитие. М.: ИЛ, 1960. 485 с.

Жарков В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко Л.В. Физика Земли и планет. Фигуры и внутреннее строение. М.: Наука, 1971. 384 с.

Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследования. М.: НФ «Технонефтегаз», 1998. 260 с.

Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ, 2006. 528 с.

Кузнецов В.В. Физика горячей Земли. Новосибирск, 2000. 365 с.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. Петропавловск-Камчатский:

КамГУ, 2008. 367 с.

Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч.II // ФТПРПИ.

2000. № 4.

Леви К.Г., Язев С.А., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В., Куснер Ю.С. Современная геодинамика и гелиогеодинамика. Учебное пособие. Иркутск:

ИрГТУ, 2002. 182 с.

Леви К.Г., Зпдонина Н.В., Бердникова Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В., Язев С.А., Баасанджан Б., Нинжбадгар С., Балжинян Б., Буддо В.Ю. Современная геодинамика гелиогеодинамика. 500-летняя хронология аномальных явлений в природе и социуме Сибири и Монголии. Учебное пособие. Книга II. Иркутск: ИрГТУ, 2003. 383 с.

Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.: Госуд. научно-техн.

Изд-во литературы по геологии и охране недр, 1958. 132 с.

Лукьянов А.В. Нелинейные эффекты в моделях тектогенеза // Проблемы геодинамики литосферы. М.: Наука, 1999. С. 253-287.

Магницкий В.А. Основы физики Земли. М.: Гостехиздат, 1953. 290 с.

Магницкий В.А. Внутреннее строение Земли. М.: Изд-во Знание, 1961. 40 с.

Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра, 1965. 380 с.

Магницкий В.А. (ред.). Общая геофизика: Учебное пособие. М.: МГУ, 1995. 317 с.

Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли / Ред. А.О. Глико. М.: Наука, 2006. 390 с.

Маламуд А.С., Николаевский В.Н. Циклы землетрясений и тектонические волны.

Душанбе: ИССиС, 1989. 144 с.

Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая гипотеза и некоторые перспективы ее применения // Проблемы эндогенного вулканизма. М.: Наука, 1979. С. 125-155.

Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1996. 447 с.

Николаевский В.Н. Упруго-вязкие модели тектонических и сейсмических волн в литосфере // Физика Земли. 2008. № 6. С. 92-96.

Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. 472 с.

Опарин В.Н., Танайно А.С., Юшкин В.Ф. О дискретных свойствах объектов геосреды и их каноническом представлении // ФТПРПИ. 2007. № 3. С. 6-24.

Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: КалинГУ, 2000. 448 с.

Пейве А.В. Тектоника и магматизм // Изв. АН СССР, сер. геологическая. 1961. № 3.

С. 36-54.

Пущаровский Ю.М. Тектоника Земли. Этюды. Т. 1 «Тектоника и геодинамика. Т. «Тектоника океанов». М.: Наука, 2005.

Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:

ДомКнига, 2007. 528 с.

Саваренский Е.Ф. Сейсмические волны. М.: Недра, 1972. 296 с.

Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. М.: Изд-во Технико-теоретической лит-ры, 1955. 544 с.

Садовский М.А. Избранные труды. Геофизика и физика взрыва. М.: Наука, 2004.

440 с.

Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 101 с.

Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.:

Наука, 1991. 96 с.

Сафронов В.С. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.:

Наука, 1969. 244 с.

Сафронов В.С., Витязев А.В. Происхождение солнечной системы // Итоги науки и техники. Серия Астрономия. Т. 24. Астрофизика и космическая физика. М.: ВИНИТИ, 1983. С. 5-93.

Слензак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев: Наукова Думка, 1972. 181 с.

Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. М.: Изд-во МГУ, 2002. 560 с.

Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 344 с.

Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. В 2-х частях. М.: Мир, 1985.

Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. М.:

Физматлит, 2005. 576 с.

Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шредер А.А. Основы экологической геофизики. М.-СПб-Краснодар: Изд-во «Лань», 2004. 384 с.

Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Киев: Вища школа, 1998. 312 с.

Физика Земли. Новый взгляд на некоторые проблемы / В.В. Кузнецов, Н.П.

Семаков, В.Н. Доровский, П.Е. Котляр. Новосибирск: Наука, 1989. 128 с.

Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987. 384 с.

Шейман С.И., Горбунова Е.А. Волновая природа активизации разломов Центральной Азии на базе сейсмического мониторинга // Физическая мезомеханика. 2008.

Т. 11. № 1. С. 115-122.

Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: МГУ, 1995. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: КДУ, 2005. Хаин В.Е., Короновский Н.В. Планета Земля от ядра до ионосферы. М.: КДУ, 2007.

244 с.

Bykov V. Stic-slip and strain waves in the physics of earthquake rupture: experiments and models // Acta Geophysica. 2008. V. 56. N 2. P. 270-285.

ЧАСТЬ I

КЛАССИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ

Единство Природы: структура материи и фундаментальные взаимодействия, пространство-время и торсионные поля. Вселенная, Галактика, Солнечная система, планеты. Модели происхождения солнечной системы. Предмет физики Земли.

Слово «иерархия» в применении к рассматриваемому случаю отображает лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. В окружающем нас мире можно подметить (а это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком) следующую иерархию объектов:

элементарные частицы – ядра – атомы – молекулы – макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма) – планеты – звезды – галактики – Вселенная.

Человек обычно имеет дело с макротелами, (приставка «макро» означает большой) и сам таковым является. Как исследователь, человек всегда, во все времена стремился познать природу в ее двух крайних проявлениях (подробнее см. главу 15): в очень малом (микромир) и в очень большом (мегамир). Каждое звено цепи «макротела – молекулы – атомы – ядра – элементарные частицы» отражает исторические вехи в исследованиях, этапы познания. Заметим, что если попытаться проследить за этой цепочкой в обратном направлении от частиц к макротелам (считая свойства частиц известными, и определять по ним свойства совокупностей частиц, т. е. самих макротел), то задача окажется не из легких. Так, например, в физике до сих пор отсутствует последовательная макроскопическая теория жидкого состояния вещества. В геофизике – только-только начинается осмысление блокового строения среды и ее волнового движения (введение в теорию таких представлений приведено в главе 11). И в астрофизике – теория образования и жизни планет, звездных систем (галактик) и Вселенной в целом.

Итак, рассмотрим всю иерархию основных объектов природы и дадим краткую характеристику.

1. Элементарные частицы. На сегодня эти образования являются исходными, простейшими в смысле структуры. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используются наиболее глубокие физические теории, представляющие собой синтез теории относительности и квантовой теории.

В настоящее время все взаимодействия элементарных частиц представляются как своеобразная «игра в мячики».

Мир короткоживущих элементарных частиц может быть искусственно создан человеком в экспериментах на ускорителях – приборах, представляющих собой грандиозные инженерно-физические сооружения.

В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в «начальных» стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как «черные дыры», в формировании сердцевины нейтронных звезд.

Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы прошлого столетия, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике – открытию мира античастиц. Частица и соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица – античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода.

Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества.

Заметим, что частицы и соответствующие им античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает на отсутствие «антигравитации».

Описанный выше мир элементарных частиц, в основном, опирается на представления о таких частицах, как электрон, протон, нейтрон и др. Согласно современным представлениям вещество состоит из кварков и лептонов, описываемых фермионными квантовыми полями. Этим вопросам посвящено большое количество литературы (см., например [Тарасов, 2005]). Впрочем, в настоящее время ученые не уверены в том, что кварки и лептоны действительно являются и мельчайшими и элементарными. Кандидатами на более «элементарные» являются неуловимые пока частицы Хиггса (которые, как полагают, являются ответственными за существование массы у всех частиц) и частицы, которые образуют «темную» материю, составляющую большую часть вещества во Вселенной [Вибе, 2006]. С целью проверки существования таких частиц в настоящее время международным коллективом ученых завершается подготовка к началу самого грандиозного в истории эксперимента по физике элементарных частиц – создание в районе Женевы Большого адронного коллайдера (ускорителя), который позволит исследовать терадиапазон энергий (до 1 Тэв = 1012 эв) и, как следствие, исследовать свойства пространства вплоть до нанонанометра (= 10-18 м) [Квиг, 2008; Коллинз, 2008].

2. Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 1044 нуклонов/м3, а плотность массы 1017 кг/м3. «Радиусы ядер» изменяются от 210-15 м (ядро гелия) до 710- м (ядро урана). Ядро имеет «форму» вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).

3. Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместный «верхний этаж» целиком заполнен электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106.

Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства.

4. Макротела. При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности – макроскопические тела (вещество).

Простое вещество является атомарным, сложное – молекулярным.

При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов тела является правильным.

Тела могут сильно отличаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств. Зная атомную природу тел и зависимость указанных свойств от нее, можно целенаправленно создавать новые материалы.

Перейдем от кристаллического состояния вещества к жидкому. При значительном повышении температуры происходит фазовый переход кристалл – жидкость (плавление).

В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными, т. е. связанными с какими-то определенными положениями в теле. Тепловое движение в жидкости носит довольно сложный характер.

При переходе жидкости в пар (при атмосферном давлении) вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества.

Дальнейшее весьма значительное повышение температуры (до 104 – 105 К) среды ведет к ионизации атомов, т. е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным.

Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т. е. с твердыми телами и жидкостями. В плазме легко возбуждается всякого рода упруго-электрические колебания.

Приведем в качестве справки значения плотностей макротел в обычных условиях:

в твердых телах и жидкостях она имеет порядок 1028 – 1029 атомов/м3, в газах молекул/м3, в искусственно создаваемой плазме плотность частиц 1019 м-3.

5. Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба – планеты. Изучение планет солнечной системы по существу только начинается. Что показали эти исследования? Во-первых, условия, в которых находится вещество планет, отличается от земных условий. Во-вторых, в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнения с элементами на земле.

Внутреннее строение планет изучать особенно сложно. Даже о своем «собственном доме» – планете Земля – человек знает недостаточно. По оценкам, при среднем радиусе Земли RЗ = 6374 км, массе МЗ = 5,977·1027 г, средней плотности = 5,517 г/см3, внутреннее давление в центральных областях земного шара имеет порядок 107 атм ( Па). Какие изменения испытывает вещество при таких давлениях?

Если при невысоких давлениях вещество отличается крайним разнообразием своих свойств и обнаруживает чрезвычайно резкую и немонотонную зависимость от химического состава, то при сжатии вещества проявляется ярко выраженная тенденция «сглаживания» его свойств. Это последнее обстоятельство легко понять. В самом деле, наружные электронные оболочки вещества, ответственные за отмеченную не монотонность, при давлениях порядка 107 – 108 атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.

Внутренние же электронные оболочки уплотняются, и распределение плотности электронов меняется сравнительно медленно при переходе от одного вещества к другому.

Давления порядка 107 атм физики научились создавать в экспериментах по ударному сжатию тел. Исследования по физике высоких давлений привели к созданию целой группы новых материалов, среди них искусственные алмазы. Есть надежда на получение при давлениях порядка 107 атм металлического водорода. Его свойства должны резко отличаться от обычных диэлектрических кристаллов молекулярного водорода, существующих при низких температурах и нормальном давлении. По оценкам физиков-теоретиков, кристаллы металлического водорода должны быть сверхпроводниками при комнатной температуре. Если это так, то мы станем свидетелями новой революции в электротехнике.

Одной из планет-гигантов солнечной системы является Юпитер, масса которого составляет МЮ = 318·МЗ. Он почти в 10 раз превосходит Землю по размерам и находится, по-видимому, в жидком состоянии. Его вещество богато водородом, и наверняка центральные области планеты состоят из металлического водорода.

6. Экзопланеты. Первое достоверное сообщение о наблюдении планеты, расположенной вблизи другой звезды - экзопланеты, прозвучало в конце 1995 г.

Астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоц из Женевского университета впервые достоверно зафиксировали экзопланету [Бурба, 2006]. С помощью сверхточного спектрометра они обнаружили, что звезда 51 в созвездии Пегаса «покачивается» с периодом чуть более четырех земных суток. Всего через десять лет за это достижение была вручена «Нобелевская премия Востока» - награда сэра Ран Ран Шоу (Run Run Shaw).

Гонконгский медиамагнат уже третий раз дарит по одному миллиону долларов ученым, достигшим особых успехов в астрономии, математике и науках о жизни, включая медицину.

За последние десятилетие обследовали около 3000 звезд и возле 155 из них нашли планеты. Всего сейчас известно более 200 экзопланет. Близ некоторых звезд найдено по две, три и даже четыре планеты. Каждый год астрономы открывают около 20 экзопланет.

Среди них выявляются все новые и новые разновидности. Большинство (около 90%) обнаруженных экзопланет являются гигантскими газовыми шарами, подобными Юпитеру, с типичной массой около 100 масс Земли. Среди них различают пять разновидностей. Наиболее распространенными являются 54 «водных гиганта», названных так из-за того, что, судя по расстоянию от звезды, их температура должна быть такой же, как на Земле. Поэтому естественно ожидать, что они окутаны облаками водяного пара или ледяных кристаллов. Следующими по распространенности идут 42 «горячих Юпитера».

Они находятся совсем близко от своих звезд (в 10 раз ближе, чем Земля от Солнца), и поэтому их температура – от + 700 до + 12000С. Немного прохладнее на 37 экзопланетах, названных «теплыми Юпитерами», температура которых от + 200 до + 6000С. В еще более прохладных областях планетных систем расположены 19 «сернокислых гигантов».

Предполагается, что они окутаны облачным покрывалом из капелек серной кислоты – такими, как на Венере. Еще дальше от соответствующих звезд расположены уже упомянутые «водные гиганты», а в самых холодных областях находятся 13 «двойников Юпитера», которые по температуре аналогичны настоящему Юпитеру (от – 100 до – 2000С на внешней поверхности облачного слоя) и, наверное, выглядят примерно так же – с голубовато-белыми и бежевыми полосами облачности, в которые вкраплены белые и оранжевые пятна крупных вихрей.

Кроме гигантских газовых планет в последние годы найдено полтора десятка экзопланет поменьше, по массе сравнимых с «малыми гигантами» Солнечной системы – Ураном и Нептуном: от 6 до 20 масс Земли. Кроме того, к этому же типу отнесены и две «суперземли» - массивные планеты земного типа, не имеющие столь плотной и толстой атмосферы, как у планет-гигантов.

Самая «тяжелая» из экзопланет в 11 раз массивнее Юпитера, а наибольшая по размеру имеет диаметр в 1,3 раза больше, чем у Юпитера. Над некоторыми из экзопланет сияют сразу два и даже три «солнца» - эти планеты вращаются вокруг звезд, входящих в систему из двух или трех светил, расположенных близко друг к другу. «Холодная суперземля» - пока наименьшая из экзопланет. Ее открыли в 2005 году в результате совместных исследований 73 астрономов из 12 стран [Бурба, 2006].

Будущие поиски планет земного типа возле других звезд будут нацелены на благоприятные для жизни области. Список из 5000 наиболее перспективных звезд уже составлен. В апреле 2007 г. астрономы Женевской обсерватории сообщили об открытии самой похожей на Землю экзопланеты среди уже обнаруженных вне Солнечной системы.

Планета обращается вокруг красного карлика Глизе 581, она в 1,5 раза больше Земли по размеру и примерно впятеро по массе. Большие успехи на изучение экзопланет ученые возлагают на космическую обсерваторию COROT - Convection Rotation and planetary Transist – конвекция, вращение и прохождения планет [Хеллеманс, 2008].

Столь разнообразные свойства экзопланет на первых порах просто ошеломили астрономов. Пришлось пересмотреть многие устоявшиеся теоретические модели образования планетных систем, ведь современные представления о формировании планет из протопланетного облака вещества основаны на особенностях строения Солнечной системы [Бурба, 2006].

7. Звезды. Галактики. Вселенная. Как ни странно, но физики гораздо лучше представляют себе состояние вещества внутренних областей звезд, чем планет.

Центральные области Солнца, при его радиусе RC = 7·108 м, массе около МС 3·1033 г, характеризуются температурой порядка 107К и давлением около 1011 атм. В этих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта ядерная реакция служит источником энергии звезд. Следует отметить, что существует и другая точка зрения [Потапов, Фоминский, Потапов, 2000], отличная от общепринятой.

По мере потери энергии звезды уплотняются. Свободные электроны начинают, как бы вдавливаться в ядра. Происходит захват электронов протонами с превращением последних в нейтроны, при этом одновременно испускается нейтрино. В результате такой реакции уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ.

Нейтронные звезды имеют массу, сравнимую с массой Солнца, а размеры - в раз меньше. Плотность нейтронной звезды сравнима с плотностью ядерного вещества, т.

е. 1017 кг/м3. Масса 1 см3 вещества такой звезды составляет сотни миллионов тонн!

Галактики – это звездные системы. Число звезд в них порядка 109 – 1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики порядка 1041 кг.

Известная нам часть Вселенной содержит таких галактик порядка 1011. Общее число протонов и нейтронов в известной нам части Вселенной порядка 1080.

Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной позволяет предположить, что когдато в прошлом она занимала весьма малый объем. Это, в свою очередь, означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 1013К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучения – фотонов и нейтрино.

Общепринятая «горячая» модель Вселенной приводит к целому ряду следствий, которые могут быть проверены наблюдениями. Обнаружение так называемых реликтовых фотонов, являющихся остатками «дозвездного» состояния вещества, является неплохим доказательством справедливости наших представлений о самых ранних стадиях развития мира.

С последними достижениями в деле изучения звезд, галактик и Вселенной можно ознакомиться в большом количестве великолепных обзоров (см., например [Атвуд, Майкельсон, Ритц, 2008; Фридман, 2005] и др.).

Четыре вида фундаментальных взаимодействий 1. Связанные системы объектов. Взаимодействия. Как мы убедились выше, в природе существуют качественно различные системы объектов. Так, ядра есть связанные системы протонов и нейтронов; атомы – связанные ядра и электроны; макротела – совокупность атомов или молекул; солнечная система – «связка» планет и массивной звезды и т. д.

Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы «разрушить» систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией взаимодействия, или просто взаимодействием.

В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

2. Гравитационные взаимодействия (тяготение). Притяжение тел к земле, существование солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено действием сил тяготения или, иначе, гравитационными взаимодействиями.

3. Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах.

4. Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаковых заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия, их называют сильными, проявляются лишь в пределах ядра.

5. Слабые взаимодействия. Под влиянием «внутренних причин», нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы (распадаются). Существуют медленные распады с характерным временем 10-10 – 10-6 с; они происходят за счет так называемого слабого взаимодействия.

6. Сравнительная оценка интенсивностей всех видов взаимодействий. Если рассматривать только элементарные частицы, то интенсивность различных взаимодействий по отношению к сильным распределяется следующим образом: сильное 1; электромагнитное 10-3; слабое 10-14; гравитационное 10-40.

В вопросах строения и развития мира, как целого, роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных астрофизических объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех фундаментальных взаимодействий.

7. Поля и вещество. Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества и поля.

Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами. Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя бы из того, что существуют радиоволны. Они имеют конечную скорость распространения; так, при локации Луны с помощью радиоволн время запаздывания радиоэха составило около 2,5 с.

Источником электромагнитного поля являются движущиеся заряженные частицы.

Взаимодействие зарядов происходит по схеме: частица – поле – частица. Поле является переносчиком взаимодействия. В некоторых условиях поле может «оторваться» от своих источников и свободно распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.

8. О создании единой теории [Тарасов, 2005]. Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира.

Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединяться. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 1016 Гэв. Гравитация же «присоединится» к ним согласно Стандартной модели (общепринятой основе физики элементарных частиц) при энергиях порядка 10 19 Гэв. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом. И создание такой единой теории «запланировано» на XXI век.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительности – в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему природа на своем самом глубоком и фундаментальном уровне должна требовать двух наборов постулатов и двух наборов физических законов? В идеале хотелось иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить две эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн, в которой «точечная» элементарная частица заменяется струной. В этом случае все наблюдаемые частицы являются просто колебаниями этих самых струн.

1. Пространственная и временная шкалы в природе. Явления и процессы, происходящие с взаимодействующими объектами, протекают в пространстве и во времени. Пространство и время являются той своеобразной «ареной», на которой разыгрываются события. Если событие характеризовать местоположением и моментом времени, то существование пространственно-временных связей накладывает определенные ограничения на возможный ход событий.

Рассмотренной выше иерархии объектов и взаимодействий могут быть сопоставлены пространственные и временные характеристики. Так, верхняя грань для пространственной области, в которой действуют сильные и слабые взаимодействия, имеет размер порядка 10-15 м; радиус действия электромагнитных и гравитационных взаимодействий неограничен, в связи с чем, становится ясным, почему эти последние взаимодействия могут проявлять себя макроскопически.

Между взаимодействиями имеются существенные различия во временных характеристиках. Процессы, которые происходят под влиянием сильных взаимодействий, характеризуются временами порядка 10-23 с. Для процессов, связанных с электромагнитным взаимодействием частиц, характерны времена порядка 10-15 с.

Наконец, для процессов, ход которых регулируют слабые взаимодействия, характерны времена 10-8 с.

Связанные системы протонов и нейтронов (ядра) характеризуются пространственной областью порядка 10-15 м. Для электронов в атоме характерна пространственная область движения с размерами порядка 10-10 м.

Еще раз приведем сравнительные данные о пространственно-временной шкале астрофизических объектов. Средний радиус Земли равен 6,4106 м, время ее существования 4,6109 лет. У Солнца радиус 7108 м, его возраст (5-10)109 лет. Для галактик характерны размеры 1021 м, возраст вещества звезд составляет (5-10)109 лет.

Что касается известной (видимой) части Вселенной, то ее радиус составляет 13,7 млрд световых лет или 1026 м, а возраст 1010 лет 1017 с.

2. Однородность пространства и времени. Пространство и время обладают определенными свойствами, что, несомненно, влияет на ход физических явлений.

Важнейшим из этих свойств является так называемая однородность. Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т. е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом.

Так, мы совершенно уверены, что свойства атомов у нас на Земле, в условиях Луны и на Солнце одни и те же.

Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. Мы считаем, что изученные сегодня закономерности в поведении атомов были теми же самыми и многие миллионы лет тому назад.

Приведем еще ряд иллюстраций. Один и тот же физический эксперимент, поставленный в Москве и Нью-Йорке, дает одинаковые результаты – это есть ни что иное, как отражение эквивалентности различных точек пространства в условиях Земли. В свое время Архимед открыл законы плавания тел; в настоящее время каждый из нас может их легко воспроизвести, создав соответствующие условия наблюдения, т. е. все моменты времени в рассмотренной ситуации физически равнозначны.

Если бы кажущиеся столь очевидными свойства однородности пространства и времени отсутствовали, то было бы почти бессмысленно заниматься наукой. В самом деле, представьте себе, к чему бы вело отсутствие однородности пространства: законы физики в Москве были бы одни, в Туле - другие, в Воронеже - третьи. Отсутствие однородности времени вело бы к тому, что люди не могли бы прогрессировать в познании. Открытый вчера закон плавания тел - сегодня был бы уже несправедлив, и нужно было бы вновь вести исследование; завтра он, в свою очередь, будет снова несправедлив.

3. Свободные тела и движение по инерции. Наше пространство является «плоским» в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Эвклида; это является экспериментальным фактом. Как будут вести себя свободные тела в таком пространстве?

Прежде всего, под свободным телом мы будем понимать тело, настолько удаленное от всех окружающих тел, что можно пренебречь его взаимодействием с ними.

Для такого свободного тела вследствие однородности пространства любые его местоположения никак не будут влиять на его состояние. Телу «безразлично», в какой точке пространства находиться, ибо «внешние условия» не меняются. Если учесть еще и однородность времени, т. е. физическую эквивалентность всех моментов времени для свободного тела, то мы придем к любопытному обстоятельству: тело будет двигаться, т.

е. последовательно менять свои местоположения с течением времени. Причем вследствие однородности пространства и времени движение будет равномерным, т. е. за равные промежутки времени тело должно проходить равные расстояния, оно будет к тому же и прямолинейным, ибо пространство «плоское». Такое движение свободных тел называют движением по инерции.

Следует иметь в виду, что свойства пространства-времени в масштабах всей Вселенной или вблизи тел огромных астрономических масс отклоняются от свойств обычной геометрии Эвклида; здесь пространство обладает своеобразной «кривизной».

Движение по инерции в таком пространстве уже не прямолинейно и неравномерно.

Движение тел по инерции есть проявление своеобразной симметрии пространства и времени, их однородности.

4. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности. Для количественного изучения движения любых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета разумеют систему координат и часы, связанные с телом отсчета.

В качестве системы координат мы будем обычно пользоваться прямоугольной декартовой системой. Говоря же о часах, мы имеем в виду не только изобретенный человеком механизм, но и любой периодический процесс, который осуществляется в природе. Так, в роли часов могут выступить: вращение Земли вокруг собственной оси, движение Земли по околосолнечной орбите, периодическое движение атомных электронов (атомные часы) и т. д.

Если связывать систему координат и часы с произвольно движущимся телом, то относительно такой системы отсчета, изучаемые физические явления даже в простейших случаях могут выглядеть весьма сложно. Особенная простота при количественном описании явлений выступает, если в качестве тела отсчета брать свободно движущиеся тела. Такие системы отсчета называют инерциальными.

В инерциальных системах отсчета всякие свободно движущиеся объекты движутся равномерно и прямолинейно. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции.

Нет критерия, благодаря которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными, и опыт это подтверждает.

Какое бы физическое явление ни рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка законов природы должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике именуют принципом относительности.

Из-за существования принципа относительности физические законы обладают особым совершенством, связанным с их симметрией по отношению к выбору инерциальных систем отсчета. Требования указанной симметрии играют немаловажную эвристическую роль при поисках количественных соотношений, описывающих явления в новой области исследований.

1. От И. Ньютона до А. Эйнштейна. Описанные выше свойства пространства, времени и материи основаны на представлениях физики, которая, как известно, выделилась из естествознания (натуральной философии) в самостоятельную науку в XVII в. основополагающими работами Г. Галилея и И. Ньютона. До начала ХХ в. физика опиралась на сформулированные И. Ньютоном представления об абсолютном и однородном и пространстве и времени, которые существуют независимо друг от друга. В рамках построенной А. Эйнштейном теории относительности пространство и время оказались взаимосвязанными, кривизна (неоднородность) пространства-времени определяется количеством сосредоточенной в нем массы. В соответствии с такими физическими представлениями анализ многочисленных геологических временных шкал, которые, как известно, являются неоднородными (подробнее см. главы 11 и 14), показывает: Земля в течение всей своей более чем 4 млрд. летней геологической жизни в своем движении вокруг центра Галактики вместе со всей Солнечной системой неоднократно должна была проходить вблизи сильных гравитационных полей.

2. Теория эфира - вакуума. Есть все основания полагать, что идеи эфира были широко распространены достаточно давно, они присутствуют во всех мировых религиях [Ацюковский, 2003, с. 46-48], формирование основ которых происходило с течение нескольких тысячелетий до н.э. [Элиаде, 2001, 2002; Крывелев, 1988]. В философию и естествознание концепция эфира была введена в VI в. до н.э. Анаксимандром в виде первоначала – «апейрона» - единой вечной неопределенной материи, порождающей бесконечное многообразие сущего. Анализ всего многообразия данных показывает (см.

главу 15), что концепция эфира сопровождает развитие естествознания от древнейших времен до настоящего времени [Ацюковский, 2003, с. 71-73]. Разработанные различными авторами картины мира и многочисленные физические теории правильно предполагали существование в природе мировой среды – эфира, являющегося основой строения вещества и носителем энергии физических полей и взаимодействий. Имеются прямые экспериментальные доказательства, свидетельствующие о наличии в околоземном пространстве «эфирного ветра» и об его газоподобной структуре.

Близким эфиру в современной физике является понятие физического вакуума, экспериментальным подтверждением существования которого является эффект Х.

Казимира (1909 - 2000), который является результатом действия ненаблюдаемого поля в состоянии физического вакуума и проявляется как притяжение двух незаряженных близкорасположенных пластинок [Павленко, 2005, с. 816-817]. Теория физического вакуума в значительной степени изменяет наши представления о мире [Физический, 1983, с. 61; Шипов, 2002].

Согласно теории А. Эйнштейна физический вакуум – это пустое (без материи) пространство-время, обладающее упругими свойствами. Это свойство проявляется тогда, когда в пустое пространство помещается некая масса. Вакуумные уравнения А.

Эйнштейна являются чисто геометрическими и не содержат никаких физических констант. Вакуум же П. Дирака, основателя квантовой электродинамики, представляет собой некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов. В среднем вакуум не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик.

Однако в малых пространственных областях вакуума значения физических характеристик могут стать отличными от нуля – вакуум флуктуирует. Образно говоря, вакуум П. Дирака в малых пространственно-временных областях похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о тоже упругой «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении.

Для физиков важным оказался вопрос, как объединить уравнения, которые описывают вакуум Эйнштейна и вакуум Дирака с тем, чтобы иметь более правильное представление о нем. В этом вопросе мнения физиков в конце 20-х – начале 30-х гг. ХХ в.

– в период окончательного становления квантовой механики, резко разделились [Шипов, 2002, с. 22-24], и, тем самым, определили начало глубокого кризиса в физике, который продолжается до настоящего времени.

3. Поля кручения. При описании свойств физического вакуума главная трудность состоит в том, чтобы найти новый физический принцип весьма общего характера, который бы отражал суть настоящего момента развития физической теории и который бы позволил описать вакуум Эйнштейна и вакуум Дирака в рамках единых представлений.

Такой принцип – всеобщий принцип инерции - был найден Г.И. Шиповым [Шипов, 2002], которым было показано, что «именно кручение пространства порождает поля инерции и спиновые свойства материи» [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993, с. 72-75]. В рамках вакуумного подхода, опирающегося на принцип инерции, была построена новая геодинамика и физика Земли [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993]. В результате оказалось, что «характерные движения в полях инерции приводят к различным типам вихревых и винтовых структур» [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993, с. 3-4].

Данные, полученные в последние десятилетия, убедительно показывают, что выделяемые по материалам геологических, геофизических, вулканических и геодинамических полевых и инструментальных наблюдений вихревые структуры являются достаточно характерными для поверхности Земли образованиями [Вихри, 2004;

Ротационные, 2007]. Это позволяет предположить, что источником таких вихревых движений, повсеместно в течение всех геологических эпох на поверхности Земли в геодинамических и геофизических полях, являются именно макромасштабные поля кручения. Таким образом, второй причиной, которая может течение времени сделать неравномерным, являются сильные (интенсивные) поля кручения.

Как видим, геологические и геофизические данные, охватывающие гигантский интервал времени по продолжительности равный одной трети – половине всей жизни Вселенной, могут оказаться полезными и даже решающими при разрешении кризиса в физике и выборе возможный путей выхода из него.

Вселенная, Галактика, Солнечная система, планеты.

Чтобы надлежащим образом осветить происхождение Земли, рассмотрим место, которое занимает Земля в истории Вселенной. Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149,6106 км = 1 а.е. (астрономическая единица), а средняя скорость ее движения по орбите - 29,8 км/с.

Солнце с его планетной системой находится во внешней части Галактики – дискообразного скопления звезд и межзвездных пыли и газа, видимых нами как Млечный путь. Солнце удалено от центра Галактики на 27 тыс. световых лет (1 световой год = км) и вращается вокруг него со скоростью 230 – 250 км/с. Полный оборот – галактический год, продолжается около 220 млн лет (рис. 1.1). Наша Галактика образует только малую часть Вселенной. Существует множество других галактик, которые, как показывают наблюдения, удалены от нас на расстояния до 13,7 млрд световых лет – размер видимой части Вселенной или Метагалактики. Дошедший до нас свет от самых удаленных галактик начал свой путь раньше, чем начала образовываться солнечная система!

Рис. 1.1 Положение Солнца (кружок с точкой) в нашей Галактике. Видно, что Солнце расположено на окраине Галактики. Мелкие точки – звезды, крупные – звездные скопления.

Линии в спектрах далеких галактик смещены к красному концу спектра. Это явление интерпретируется как доплеровское смещение, возникшее при движении источника света от наблюдателя со скоростью, пропорциональной расстоянию. Отсюда возникла гипотеза о расширении Вселенной. Экстраполяция во времени назад позволяет установить, что расширение Вселенной началось около 15 млрд лет назад (согласно одной из гипотез, в ней могут сменяться циклы расширения и сжатия). Дальнейшим подтверждением гипотезы происшедшего около 15 млрд лет назад «большого взрыва»

является открытие радиоастрономов, обнаруживших микроволновое «реликтовое»

радиоизлучение – «потомка» того излучения, которое возникло сразу после «большого взрыва».

Распространенность изотопов урана, тория и продуктов их распада в космосе, установленная по результатам химического анализа метеоритов, дает основание предполагать, что Галактика образовалась, по крайней мере, за 5 млрд лет до формирования солнечной системы. Согласно одной из гипотез, Галактика образовалась в результате гравитационного коллапса турбулентного газового облака, возможно, вскоре после «большого взрыва».

Астрономы полагают, что звезды, подобные Солнцу, образуются в Галактике и в настоящее время. Они формируются из газопылевых межзвездных облаков, когда плотность последних становится достаточной для того, чтобы облака оказались гравитационно-неустойчивыми. Межзвездное вещество состоит, в основном, из водорода и частично из гелия, существующих со времени образования Галактики, и частично из гелия и более тяжелых элементов, синтезированных в ходе ядерных процессов внутри звезд или же при более интенсивных процессах типа взрывов сверхновых. Сжатие под действием сил взаимного притяжения сначала создает скопление протозвезд, которые позднее сами уплотняются и становятся молодыми звездами. Освобождающаяся при этом гравитационная энергия нагревает звезду, и звезда начинает излучать и светиться. В конечном счете, внутренняя температура становится достаточно высокой для начала термоядерных реакций, звезда перестает сжиматься и занимает свое место на «главной последовательности». Солнце является довольно типичной звездой главной последовательности; она прошла стадию сжатия из межзвездного вещества около 5 млрд лет назад.

Если приведенные выше представления справедливы, то планеты и их спутники должны были образоваться одновременно с Солнцем при конденсации газопылевого облака. По существу эта теория – модернизированный вариант взглядов Р. Декарта и И.

Канта (см. главу 15), которые, фактически, не привлекали внимания ученых до первой половины ХХ столетия. Соперничающая с ними группа гипотез связывает образование планет с катастрофическим явлением, например, с приближением к Солнцу другой звезды или с взрывом близкой сверхновой, выброшенное вещество которой, включая все «тяжелые» элементы, было захвачено Солнцем и привело к образованию вокруг него планетной системы. В буквальном смысле слова «каждая частичка нашего тела прошла через космическое горнило: горело в звездах, взрывалось сверхновыми» [Сергеев, 2008].

Каждая из существующих гипотез имеет свои нерешенные вопросы. Но гипотезы катастрофического происхождения солнечной системы оказываются перед лицом совершенно непреодолимых трудностей. Одна из них заключается в том, что газовая струя, достаточно протяженная и горячая, чтобы из нее могли образоваться планеты, рассеялась бы в пространстве приблизительно в течение часа, еще задолго до того, как охладилась бы настолько, чтобы могла начаться конденсация. Все, что могут сделать «катастрофические» гипотезы, - это признать существование солнечного облака, а такое облако в любом случае является начальной стадией гипотезы конденсации, или небулярной гипотезы, предложенной в 1796 г. математиком и астрономом П.С. Лапласом (см. главу 15). Поэтому в наше время небулярная гипотеза вновь привлекла внимание.

Она хорошо согласуется с современными взглядами на образование звезд и может объяснить многие закономерности строения солнечной системы. Однако остаются еще неясности, связанные с распределением момента количества движения, с химическим несоответствием между планетами-гигантами и планетами земной группы, а также с механизмом конденсации. Но, по крайней мере, в рамках небулярной гипотезы мы видим возможные пути решения этих проблем.

Достаточно распространенной в настоящее время является «холодная» модель образования планет солнечной системы О.Ю. Шмидта, предложенная им в 1944 г. В основе гипотезы заложены представления о слипании под действием сил гравитации холодных частиц – планетезималей – планетных зародышей [Шмидт, 1960, с. 100-178]. В последние два десятилетия была разработана в известном смысле «противоположная»

горячая модель образования Земли [Кузнецов, 2000, 2008], в основе которой заложены представления о первоначально разогретой до 3·104К материи. Подробнее на этой модели остановимся в этой главе ниже.

Обратимся к некоторым явлениям в солнечной системе, требующим объяснения.

Прежде всего, сюда относится единообразное вращение и распределение момента количества движения. Все планеты, за исключением Плутона, обращаются по почти круговым орбитам, плоскости их орбит почти совпадают, и планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком вращается само Солнце (табл. 1.1, рис. 1.2).

Примечание: Цифры в скобках неуверенные. *) Среднее значение для всей массы выпавших метеоритов.

Большая часть спутников движется по орбитам в экваториальных плоскостях своих планет и в направлении вращения планет. Правда, известны исключения, происхождение которых можно объяснить либо захватом, либо приливным трением. Средние расстояния планет от Солнца приблизительно подчиняются модифицированному закону Тициуса – Боде (рис. 1.3):

где R0 – примерно равен половине радиуса орбиты Меркурия, Rn - радиус n-ой (считая от Солнца) планеты, m = 1,89. Физическая сущность этого закона еще не выяснена. И, тем не менее, некоторые авторы полагают, что такая зависимость закона Тициуса – Боде может определяться процессами самоорганизации, протекающими (протекавшими) в солнечной системе [Антонюк, 2007; Резанов, 2004]. Более того, степенная форма закона (1.1) позволила высказать предположение, что при образовании Солнечной системы «традиционные методы классической физики и небесной механики, которые сегодня широко используются в космогонии, оказываются мало эффективными, если вообще пригодными. Закономерности типа правила Тициуса – Боде» приводят к «квантовому механизму» образования орбит планет и их спутников [Баренбаум, 2002, с. 177-179].

Рассмотрение задачи «квантования солнечной системы» в рамках уравнений теории физического вакуума приводит к сходной зависимости с погрешностью не более 3% [Трунаев, 2006, с. 48-65; Шипов, 2002, с. 79-80]. Впрочем, эти гипотезы вполне могут рассматриваться как дополняющие друг друга.

Рис. 1.2. Схема взаимного расположения окружающих Солнце планетной системы (планеты земной группы, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и пояса астероидов Кейпера (нижний рисунок).

Видно особое положение Плутона, периодически вторгающегося в планетную систему из кометного облака Орта [Маракушев, Моисеенко, Тарарин,2000].

Распределение момента количества движения в солнечной системе представляет трудности для всех теорий. Планеты обладают 98% общего момента количества движения системы; само Солнце медленно вращается с периодом 24,65 суток. (Солнце вращается не как твердое тело; указанный период относится к экваториальным областям Солнца.) С другой стороны, основная масса (99,9%) системы сосредоточена в Солнце. Задача заключается в том, чтобы объяснить, каким образом передается момент количества движения от центрального тела к внешним частям системы.

Радиус орбиты Rn/Rз a.e.

Рис. 1.3. Радиусы орбит планет приближенно описываются законом геометрической прогрессии Возникшие здесь трудности и послужили причиной того, что в начале ХХ века была отвергнута модифицированная небулярная гипотеза И. Канта – П.С. Лапласа, поскольку момент количества движения сжимающегося диска, состоящего из вращающихся частиц пыли и газа, должен оставаться прочно «привязанным» к основной массе, из которой сконденсировалось само Солнце. «Катастрофические» гипотезы пытались обойти это затруднение, но в действительности им не удалось сделать это сколько-нибудь удовлетворительно. Сейчас, когда возродилась небулярная гипотеза, установлено, что взаимодействие между магнитным полем Солнца и ионизованным облаком или же эффекты турбулентности в облаке могли бы привести к передаче момента во внешние части сжимающегося газопылевого облака.

По мнению В.В.Орленка [2000] наблюдаемое распределение момента количества движения в солнечной системе можно объяснить в рамках вихревой модели Н.А.Шило [Шило, 1982; Латкин, 2004].

В теориях происхождения солнечной системы химические данные обычно игнорировались [Ларин, 2005; Орленок, 2000]. Различные тела солнечной системы образованы, в основном, тремя группами химических элементов:

Группа I: H, He (около 90% массы Солнца), Группа II: C, N, O, (около 1,5% массы Солнца), Группа III: Mg, Fe, Si (около 0,25% массы Солнца).

Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и астероиды – обладают значительной плотностью ( = 3,9 5,5 г/см3, табл. 1.1)и состоят преимущественно из Mg, Fe и Si. Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно крупнее планет земной группы, их плотность существенно меньше ( = 0,7 1,6 г/см3, табл. 1.1), и поэтому они должны состоять главным образом из Н и Не. Возможно, их общий состав мало отличается от состава Солнца или первичной околосолнечной туманности. Состав Урана и Нептуна, плотности которых имеют промежуточные значения, в основном могут определяться твердыми соединениями II группы элементов: метаном, аммиаком и льдом.

Во время формирования планет внутри солнечного облака должна была происходить сильная химическая дифференциация. Менее летучие элементы III группы должны были выделяться из облака в окрестностях планет земной группы, когда облако вытягивалось под действием магнитных или иных сил. Тогда же водород и гелий, составляющие свыше 90% всей первоначальной массы облака, интенсивно улетучивались в окружающее пространство в окрестностях Урана и Нептуна. Механизм этого «выдувания» не ясен.

Анализ содержания некоторых изотопов в метеоритах позволил оценить возраст Галактики. Верхний предел величины интервала времени от завершения синтеза тяжелых элементов (или взрыва сверхновой?) до образования родительских метеоритных тел оценивается в 200 млн лет. Отсюда можно заключить, что взрыв сверхновой мог произойти вблизи будущего солнечного облака менее чем за 200 млн лет до образования солнечной системы. Взрыв мог также сыграть роль спускового механизма для начала конденсации в облаке.

Подытожим те стадии, через которые, возможно, прошла солнечная система.

Первые пять стадий могли совпадать во времени.

Вращающееся Солнце сжималось, и поэтому его угловая скорость постепенно увеличивалась. При этом вращающийся газопылевой диск вытягивался в экваториальной плоскости. Возможно, околосолнечное облако образовалось после того, как вещество было выброшено с солнечного экватора, когда центробежная сила превысила силы тяготения (как впервые предположил Лаплас), или же облако могло образоваться в результате иных процессов.

Момент количества движения был передан от Солнца к облаку; вращение Солнца замедлилось, и облако расширилось, охватив местоположение будущих планет. Этот процесс мог произойти в результате взаимодействия магнитного поля Солнца (порядка Гс) с ионизованной частью облака или же вследствие турбулентной конвекции в облаке.

С переносом наружу момента количества движения связана потеря энергии вращения, что могло произойти вследствие излучения облаком частиц высокой энергии при внезапных возмущениях магнитного поля. При этом могли образоваться легкие элементы, например, литий, и некоторые короткоживущие, радиоактивные изотопы, скажем Al26.

При интенсивном истечении первичных водорода и гелия в окружающее пространство в районе расположения внешних планет в газопылевом облаке началась химическая дифференциация; при конденсации в области образования будущих планет земной группы выделились кремний, железо и магний.

По мере охлаждения околосолнечное облако конденсировалось в пылинки и более крупные частицы, двигавшиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца в его поле тяготения.

Частицы с близкими орбитами сталкивались и слипались, постепенно вырастая до размеров достаточно крупных тел. Однако механизм, заставивший частицы объединяться на ранней стадии аккреции, остается неясным. Когда тела достигли размеров 1 км и больше, процесс столкновений и слипания усилился за счет тяготения. В конечном счете, образовались тела с размерами планет, их спутников и астероидов. Большая часть составлявших первичное облако газа и пыли заключена в этих телах или же рассеялась в пространстве.

В процессе аккреции момент количества движения передавался от облака к новообразованным планетам и их спутникам. Механизм передачи остается пока невыясненным.

На начальных стадиях аккреции малые тела, возможно, сильно разогревались из-за распада короткоживущих изотопов, в частности Al26. Эти изотопы могли появиться в результате облучения газопылевого облака частицами высокой энергии. Разогрев мог вызвать разделение железо-никелевой и силикатной фаз и другие тепловые процессы в родительских телах метеоритов. Позднее некоторые из этих тел разрушились и образовали метеориты.

Процесс образования солнечной системы в основном закончился около 4500 млн лет назад, и с тех пор общая структура системы не претерпела существенных изменений.

За это время могли произойти захваты планетами спутников (например, Луна могла быть захвачена Землей), а скорость вращения планет, особенно Меркурия, Венеры и Земли, могла замедлиться под воздействием приливного трения.

В заключение обратим внимание на те новые данные, которые появились в самое последнее время и, по сути, являются основой для новых гипотез образования звездных систем [Сурдин, 2008]. Выяснилось, что среди миллиардов звезд почти невозможно найти светило, похожее на Солнце и имеющее столь же спокойный характер. Наша Галактика среди подобных ей крупных звездных систем также оказалась на редкость «мирной», практически не проявляющей активности: даже расположенная в ее ядре массивная черная дыра ведет себя весьма тихо. Солнце со своими планетами движется в Галактике не хаотично, но, счастливо избегая мест скопления новорожденных звезд, среди которых немало активных, а значит, опасных для нашей биосферы. Последнее, что долго не удавалось выяснить астрономам, - насколько типична наша планетная система и часто ли у других звезд имеются планеты, подобные Земле. Найти планеты вблизи иных звезд всегда представлялось задачей невероятно сложной.

Как показано выше, выяснилось, что в большинстве своем экзопланетные системы совершенно не похожи на нашу Солнечную систему. В них планеты-гиганты типа Юпитера оккупируют «зону жизни», представляющую собой область вокруг звезды, где температурные условия на планете позволяют существовать жидкой воде – главному условию развития жизни земного типа. Но на самих газовых гигантах-«юпитерах» жизнь развиться не может (у них даже нет твердой поверхности), а маленькие планеты земного типа эти гиганты из «зоны жизни» выталкивают. Теперь ясно, что Солнечная система нетипична, а возможно, и уникальна: ее планеты-гиганты, движущиеся по почти круговым орбитам вне «зоны жизни», позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых, Земля, имеет биосферу. По-видимому, другие планетные системы крайне редко обладают этим качеством. Для тех, кто надеется быстро найти братьев по разуму, это неприятное известие.

Выше были приведены новые данные о галактиках, звездах и их планетных системах, которые в будущем, несомненно, необходимо будет учесть при построении теорий, объясняющих их генезис. Ниже кратко рассмотрим уже существующие теории происхождения солнечной системы и Земли.

Основы «холодной» модели происхождения солнечной системы С давних времен в космогонии солнечной системы происходило противоборство идей по двум главным направлениям. Во-первых, образовались ли Солнце и планеты в едином процессе или независимо. Во-вторых, образовались ли планеты из газовых сгустков или из твердого вещества («небулярные» и «метеоритные» гипотезы).

Классические гипотезы Канта и Лапласа о совместном образовании Солнца и планет из рассеянного вещества единой туманности господствовали полтора столетия, затем были надолго оставлены. В 40-х годах идея совместного образования послужила основой для небулярных моделей Берлаге, Вейцзеккера, Кейпера, Фесенкова, но всерьез возродилась лишь в 60-х годах Хойлом, Камероном, Шацма-ном. Гипотезы о раздельном образовании Солнца и планет можно подразделить на две основные группы — гипотезы об образовании планет из вещества, тем или иным образом выделившегося из уже существовавшего Солнца (Бюффон, Мультон и Чемберлин, Джине, Станюкович и др.), и гипотезы захвата Солнцем диффузной межзвездной среды (Альвен, Шмидт, Литтлтон и др.).

Образование планет из газовых сгустков (протяженных массивных протопланет) предполагается в гипотезах Лапласа, Джинса, Кейпера, Фесенкова, Камерона, а образование из твердого вещества — в гипотезах Лигондеса, Мультона-Чемберлина, Шмидта, Альвена-Аррениуса, Эджворта и др.

Впервые систематическая разработка теории образования планет из твердых частиц околосолнечного допланетного облака была начата О. Ю. Шмидтом в 1944 году [Шмидт, 1960, с. 100-178]. О.Ю. Шмидт определил планетную космогонию как комплексную астрономо-геолого-геофизическую проблему, опирающуюся не только на астрономические данные, но и на многочисленные данные наук о Земле. Он подчеркивал, что процесс формирования планет в допланетном облаке относительно независим от процесса образования самого облака вокруг Солнца. Основные этапы процесса аккумуляции планет были подробно исследованы его коллегами и учениками (Гуревичем и Лебединским, Левиным, Сафроновым, Витязевым и др.). В 70—80-е годы теория аккумуляции планет из твердых тел и частиц получила дальнейшее развитие. Она разрабатывается учеными ряда стран и пользуется широким признанием.

Классическая космогония ставила перед собой задачу объяснить следующие группы фактов:

А - Орбиты планет почти круговые, лежат в одной плоскости и их обращение (у большинства из них и вращение) происходит в одном направлении с вращением Солнца (рис. 1.2).

В - Планеты распределены явно не случайным образом, в их расстояниях от Солнца есть закономерность, описываемая известным правилом Тициуса-Боде (рис. 1.3;

соотношение (1.1)).

С - Разделение планет на две резко различающиеся группы: внутренние планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс - сравнительно небольшие, но с большей плотностью, более медленным вращением, с малым числом спутников (или без них) и внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - большие по размерам, меньшей плотности, с большей скоростью вращения и многочисленными спутниками (табл. 1.1).

Д - Распределение момента количества движения: в то время как в Солнце сосредоточено более 99% всей массы солнечной системы, на него приходится менее 2% момента количества движения, остальные 98% принадлежат планетам (табл. 1.2; 1.3).

Важным методологическим шагом было предложенное О.Ю. Шмидтом деление проблемы происхождения солнечной системы на три части, разработка которых могла производиться в некоторой степени независимо. С незначительными изменениями эти три задачи можно сформулировать следующим образом: первая - объяснение происхождения Солнца и способа формирования допланетного облака, вторая (центральная задача планетной космогонии) - разработка теории образования планет в ходе эволюции допланетного облака и третья - установление геофизических, геохимических и геологических следствий теории образования планет. Такое деление позволило О.Ю.

Шмидту и его последователям приступить к решению центральной задачи и к объяснению круга проблем А, В и С. Позднее в рамках этого же подхода был совершен переход к следующей по сложности группе задач определения начального состояния планет, состава и структуры их недр к моменту завершения процесса аккумуляции.

Таблица 1.2. Распределение орбитального углового момента планет в Солнечной системе [Викулин, 2004а, с. 37; Викулин, Мелекесцев, 2007] Примечание: МЗемли = 6·1027 г, Морб = МR2 – орбитальный момент планеты с массой М, радиусом орбиты R и угловой скоростью вращения =2/ вокруг Солнца.

В настоящее время объяснение групп фактов А, В, С и Д является необходимым, но далеко не достаточным критерием правильности той или иной динамической модели.

Требуется дополнительно объяснить обширную группу космохимических фактов:

Е - Вариации химического состава планет и спутников, существование разных типов метеоритов и астероидов, комет, изотопные данные.

Объяснение совокупности данных по астероидам и метеоритам, кометам и межпланетной пыли, составу поверхностей и атмосфер планет является столь же важным для предлагаемых моделей, как и объяснение групп А, В, С и Д. В качестве конкретного примера укажем на необходимость сопоставления и согласования временных шкал и последовательности отдельных стадий по изотопным данным и динамическим оценкам.

Так, данные по возрастам метеоритов говорят о длительной (107—108 лет) столкновительной эволюции планетезималей в ходе их аккумуляции в планеты и являются веским подтверждением динамической оценки шкалы времени образования планет ~ 108 лет.

Грандиозный прогресс в технических возможностях астрономии, достигнутый на рубеже XX-XXI веков, позволил с 1995 г. начать серию открытий планет у ближайших звезд. К началу XXI века были открыты уже около 50 планетных систем (см. выше в этой главе раздел 6. Экзопланеты). Кроме того, обнаружены газопылевые диски возле молодых звезд (например, у звезды -Живописца), характеристики которых неплохо согласуются с построенной О.Ю.Шмидтом и его последователями теории образования планетных систем. Тем самым, находит подтверждение на практике и теория образования солнечной системы [Леви, Язев, Задонина и др., 2002].

Таблица 1.3. Распределение собственного вращательного момента Солнца и планет [Викулин, 2004а, с. 38; Викулин, Мелекесцев, 2007] Примечание: вращательный момент Солнца вычислялся из Мвр,Солн=2Е/=1,58·1048 г·см2с-1, где Е = 1,9·1042 эрг – кинетическая энергия Солнца, по [Таблицы…, 1976, c. 973]; вращательный момент планет вычислялся из Мвр = I, где I = 8/15r5 – момент инерции планеты; знак минус обозначает вращение планеты в обратную сторону.

В течение последних двух десятилетий была разработана совершенно новая, во многом отличающаяся от общепринятых в настоящее время модель «горячего»

происхождения Земли и всей Солнечной системы. Эта модель не является бесспорной, но она является обобщением большого экспериментального материала, а потому будоражит воображение и взывает к дискуссии. Вне всякого сомнения, модель горячей Земли имеет право на существование. К некоторым моментам этой модели, изложенной в книгах [Кузнецов, 2000, 2008], мы будем обращаться по ходу нашей книги. Здесь же приведем выдержки из Введения [Кузнецов, 2008, с. 6-12].

«Модель холодной Земли [Шмидт, 1960, с. 41-178] общепринята и не подвергается сомнению. Остановимся на сути этой модели: Земля образовывалась путем «склеивания»

холодных частиц (планетезималей) в течение 100 млн лет, иначе тепло, выделяемое при этом процессе, не будет успевать отводиться за счет радиационного охлаждения, и мы приходим к горячей модели. Рассматривается два сценария образования Земли: согласно первому, сначала образовалось железное ядро, а затем на него стали «падать» силикаты, формируя мантию. Согласно второму, - Земля была «склеена» из силикатов и железа, потом произошла дифференциация, и выделилось жидкое ядро, центральная часть которого кристаллизовалась (?). В каждом из сценариев, внешнее ядро Земли железное, расплавленное. В нем возникает конвекция, причем такого вида, что хорошо проводящая жидкость (железо) захватывает (вмораживает) силовую линию магнитного поля из окружающего Землю космоса и за счет эффекта гидромагнитного динамо происходит усиление и преобразование этого «затравочного» поля в геомагнитное. Дрейф материков обязан крупномасштабной конвекции, причина которой так и не выяснена, нет ни одного доказательства наличия такой конвекции на Земле. Тепловой поток, по модели, обязан наличию радиоактивных элементов и т.п.

Подавляющее большинство геологов, интересующихся проблемами внутреннего устройства Земли, не сомневаются в том, что ядро Земли железное, а внутреннее тепло обязано радиоактивному распаду, иначе говоря, не сомневаются в том, что она “холодная”. Тем не менее, анализируя геологический материал, реконструируя земной ландшафт по “остаткам” гор и вулканов, изучая палеомагнитные “записи” и химический состав пузырьков газа и воды, сохранившихся с давних времен в твердых породах, многие приходят к выводу, что Земля на ранних этапах своей эволюции была совсем не такой как сейчас.

У геологов, убежденных в правомерности модели холодной Земли, возникают и со временем накапливаются факты, которые, в принципе, находятся с ней («холодной»

моделью – А.В.) в противоречии. Как правило, эти факты замалчиваются при написании монографий по физике Земли. Трудно назвать книги по физике Земли, издаваемые за рубежом и в России, в которых излагались бы идеи, противоречащие принятым догмам холодной модели. Одной из таких книг, оказавших на меня очень сильное впечатление, была книга австралийского геолога У. Керри [1991] о геологии расширяющейся Земли.

Конечно, её нельзя считать книгой по физике Земли, но это, вероятно, одна из лучших книг, где автор убедительно показывает, что наша планета расширялась! Буквально все монографии по физике Земли “переписывают” друг у друга: планетезимали, как строительный материал для планеты, выделение железного ядра при дифференциации, генерацию магнитного поля за счет динамо-эффекта, конвекцию в мантии как движитель плит, радиогенный разогрев как источник теплового потока и т.п. Если внимательно не “присматриваться” к этой модели, то можно посчитать, что она самосогласованна и не имеет внутренних противоречий.

Если допустить, что планеты и спутники, как и Солнце, создавались по другому, “горячему сценарию”, то оказывается, что практически ничего не удается использовать из прежних “наработок” физики холодной Земли. Всю физику горячей Земли приходится создавать “заново”. Холодная модель интенсивно создавалась усилиями многих физиков многих стран не менее 50 лет. Модель горячей Земли в этом плане естественно уступает по глубине и тщательности проработки многих вопросов.

Сформулируем основные моменты концепции горячей Земли. Будем руководствоваться основными требованиями к новой теории, претендующей на то, что она более адекватна Природе, чем существующая. И, хотя нашу модель еще рано рассматривать как теорию Земли и Солнечной системы, тем не менее, постараемся учесть требования, характерные для любой теории, претендующей на признание научного сообщества:

Во-первых, теория не должна приводить к резко противоречащим друг другу выводам, то есть, теория должна быть самосогласованной.

Во-вторых, теория должна объяснять бесспорные результаты экспериментов и наблюдений.

В-третьих, фундамент, заложенный в теорию, должен давать ей возможность оценивать любые конкретные ситуации и анализировать результаты любого нового эксперимента.

В-четвертых, теория должна быть согласована со всеми физическими законами.

В-пятых, теория должна давать возможность предсказывать события и результаты планируемых экспериментов и наблюдений.

Основная, базовая идея, заложенная в модели горячей Земли, состоит в том, что Солнце, планеты и их спутники образовались в едином достаточно быстром (порядка млн лет) самоорганизующемся процессе самогравитации протосолнечного «облака», случившемся 4.5 млрд лет назад. Этот процесс во времени и пространстве можно условно разделить на две составляющие: 1) формирование в протосолнечном «облаке» сгустков вещества, из которого впоследствии сформировались планеты, и 2) бифуркации, произошедшей в области пояса Астероидов в тот момент, когда Солнце ещё полностью не сформировалось и его радиус был больше современного примерно в 7 раз. Бифуркация разделила вещество протосолнечного «облака» на две части: из одной сформировались планеты гиганты, вторая «пошла» на формирование Солнца и планет земного типа.

Особенности внутреннего строения и эволюция планет и спутников определялись одним параметром – величиной их массы М. Температура Т вещества планеты в момент их образования была пропорциональна: Т M2/3.

Планеты и спутники (по величине их массы) можно условно разбить на три класса:

1) GM/R < U1; 2) U1 < GM/R < U2; 3) GM/R > U2. U1, U2 – удельные теплоты плавления и испарения, соответственно, G – гравитационная постоянная. К первому классу отнесём малые спутники и астероиды, ко второму, - Марс, Меркурий и большие спутники, к третьему, - Землю, Венеру и гигантские планеты. Первые в момент образования не были полностью расплавлены, вторые – полностью расплавлены и часть их вещества находилась в газообразном состоянии, третьи, - прошли фазу полностью газообразного состояния. Процесс сжатия (самогравитации) планеты прекращается, когда внутреннее газокинетическое давление её вещества становится равным гравитационному давлению (критерий Джинса). После этого планета эволюционирует, выделяется газообразное внутреннее ядро, жидкое – внешнее и формируется кристаллическая мантия. Планета при этом расширяется, т.к. начальная плотность вещества в газообразном состоянии была выше плотности вещества в конденсированном состоянии. На границе внутреннего и внешнего ядра реализуется фазовый переход (ФП) «конденсация-испарение», а на границе ядро-мантия фазовый переход «кристаллизация-плавление». Оба ФП экзотермические, что обеспечивает планете источник внутренней энергии, который «расходуется» на тепловой поток, магнитное поле, геодинамику и т.п. Направления ФП могут меняться: от преимущества конденсации над испарением, что приводит к расширению Земли, к преимуществу испарения над конденсацией, что соответствует периоду её сжатия.

В области ФП на границе внутреннего ядра возникают электрические явления, образуется радиальное электрическое поле и двойной электрический слой (ДЭС).

Суточное вращение ДЭС вызывает появление слабого магнитного поля, которое усиливается за счет проявления гальвано-магнитных эффектов, подобных эффекту Холла, и является причиной генерации магнитного поля планеты и спутника. Смена режима преимущества ФП того или иного типа автоматически приводит к изменению полярности ДЭС и инверсии магнитного поля. Явления, связанные с деятельностью механизмов поддержания температуры в области ФП, «маркируются» магнитным полем и представляют собой всю гамму явлений геомагнетизма.

Температура и давление вещества Земли в ходе её эволюции уменьшаются, что является основной причиной происходящих в её недрах циклических процессов, находящих отражение в палеомагнитной шкале и «каменной летописи».

Геодинамические явления, сейсмичность и вулканизм проявляются на Земле (и других планетах и спутниках), открытой самоорганизующейся структуре, как «средства»

достижения выполнения условия минимизации её гравитационной энергии, приводящие Землю, другие планеты и большие спутники к шарообразной форме и стремящиеся минимизировать высоту их «геоидов».

Релаксация вещества внутреннего ядра уже произошла на Марсе и больших спутниках, о чем говорит отсутствие дипольного магнитного поля в настоящем времени и наличие его в прошлом. Этот процесс ещё происходит на Меркурии, Земле и других планетах. Отсутствие магнитного поля на Венере, где внутреннее ядро должно ещё сохраниться, может быть объяснено только тем, что она вращается очень медленно и её затравочное магнитное поле слишком мало для развития генерации.

Модель горячей Земли самосогласованна, в ней используются известные законы физики, она находит объяснение всем бесспорным наблюдательным фактам, позволяет прогнозировать явления, которые могут наблюдаться в будущем. Таким образом, модель горячей Земли удовлетворяет требованиям, предъявляемым теории».

В соответствии с моделью Р. Декарта, причиной возникновения Вселенной стала единственно устойчивая форма движения - вихревое движение. Подтверждением этому мы находим в результатах, полученных в самое последнее время [Кондратьев, 2003, с. 34Динамика звездных систем – наука, базирующаяся на немногих фундаментальных принципах, предложенных еще Ньютоном, Джинсом и некоторыми другими исследователями. Наступления «широким фронтом» в звездной динамике никогда не проводилось, а попытка учета «всего» приводит к невероятной путанице и, как следствие к потере физического смысла получаемых решений. Именно по этой причине в последнее время в динамике звездных систем и получило развитие нетрадиционное в наше время «вихревое» классическое наследие небесной механики и теории фигур равновесия, сформулированное П. Дирихле – Ю. Дедекиндом – Б. Риманом и развитое Б.П.

Кондратьевым [Викулин, 2005].

Еще не так давно представление о гигантских звездных системах – эллиптических галактиках – основывалось на мнении, что их «сплюснутая» эллиптическая форма создается (как и для звезд и планет) их вращением. Здесь, вне всякого сомнения, сказались традиционные представления о связи между сплюснутостью и вращением в жидких и газовых конфигурациях с изотропным давлением. Источником таких представлений являлась классическая теория фигур равновесия, восходящая к Ньютону – его закону всемирного тяготения.

С развитием техники наблюдений выяснилось, что вращение большинства эллиптических галактик мало и не может объяснить величины их сжатия. Это несоответствие классической теории и стимулировало постановку для звездных систем задачи Дирихле в постановке Б.П. Кондратьева:

Законы динамики с линейным по координатам полем скоростей усредненных движений частиц допускают такое движение рассматриваемой конфигурации из звезд (частиц), при котором в любой момент времени эта конфигурация остается однородным эллипсоидом.

Известно, что такая классическая задача Дирихле для вращающейся гравитирующей жидкости имеет вихревые решения Римана [Викулин, 2005; Кондратьев, 2003]. Естественно ожидать, что и «газовые» гравитирующие системы, состоящие из звезд (частиц), также допускают «вихревые» решения, которые, с одной стороны, определяют устойчивую (эллиптическую) форму галактики и, тем самым, являются «источниками»

новых «вихревых» космогонических моделей, с другой - возвращают нас к «истокам» - к гипотезе древних мыслителей о вихревых атомах и модели вихревой материи Декарта ([Викулин, 2007]; см. также главу 15).

Модель образования Солнечной системы из эндо-галактического вихря В последние годы предложена новая качественная концепция образования Солнечной системы, в основе которой заложены следующие достаточно общие предположения:

- все тела образовались и развивались по единым законам, - единый «внутренний» механизм развития системы осуществляется посредством спирально-вращательного и вращательно-винтового движений.