Автор неизвестен
Эврика-87
Эврика-87
"Эврика!" - торжествующе воскликнул когдато Архимед, поведав миру о своем открытии.
Конечно, можно по-разному выражать эмоции в подобных случаях, но несомненно одно: в последнее время оснований для такого возгласа было немало. Ведь каждый день приносит нам новые научные гипотезы, открытия и решения. Никогда прежде наука так глубоко не проникала в тайны природы, не знала такого широкого фронта исследований: космические корабли штурмуют Вселенную, фантастически развивается кибернетика; биология и физика приближают возможность управлять жизненными процессами.
Над чем думают и о чем спорят ученые? Что проверяют экспериментаторы и находят искатели? Какие плоды научных открытий отданы практике? О важных и серьезных научных идеях, поисках, решениях последнего времени и рассказывается в сборнике-ежегоднике "Эврика".
1. ГДЕ ГРАНИЦА МИРА?
Эксперимент "Реликт":
первые результаты
Согласно принятой сейчас теории горячей Вселенной, на первой стадии образования она представляла собой смесь вещества (элементарных частиц) и излучения (квантов электромагнитного поля), имеющую чрезвычайно высокую плотность и температуру. Кванты излучения тогда интенсивно взаимодействовали с заряженными частицами и образование сгустков вещества было невозможным: их разрушало давление фотонов. Но в процессе расширения Вселенной температура вещества и излучения падала, и через миллион лет, когда она опустилась ниже 4000 К, протоны и электроны начали соединяться в атомы водорода. Электроны в этих атомах стали рассеивать фотоны значительно слабее, чем делали это, будучи свободными, и потому после образования водорода взаимодействие вещества и излучения прекратилось.
Дальше они эволюционировали почти независимо: вещество под действием гравитационных сил собиралось в скопления, а излучение продолжало расширяться и остывать и дошло до нашего времени. Это излучение, называемое реликтовым, равномерно заполняет Вселенную и имеет сейчас температуру 2,9 К. В 1964 году его обнаружили экспериментально, и теория горячей Вселенной была подтверждена на опыте.
Реликтовое излучение может многое рассказывать об истории Вселенной.
Если в момент образования атомарного водорода плотность вещества в какойто точке была больше средней, то там была выше средней и температура, а значит, энергия и частота излучения.
Разница в энергии излучения из разных областей должна сохраниться до нынешнего дня. Следовательно, сегодняшние неоднородности в распределении интенсивности реликтового излучения по небесной сфере несут информацию о неоднородности распределения вещества в далеком прошлом.
Многие считают, что именно такие первичные неоднородности распределения вещества обусловили образование галактик. Поэтому понятен интерес к исследованию анизотропии реликтового излучения (зависимости его энергии от направления). Помимо прочего, это исследование позволило бы определить скорость движения Солнечной системы относительно реликтового излучения. Ведь за счет эффекта Доплера частота квантов излучения, навстречу которым мы движемся, повышается, а частота квантов, движущихся нам вослед, падает. Поскольку энергия кванта пропорциональна его частоте, мощность излучения в. направлении нашего движения будет больше, а в противоположном направлении-меньше средней.
Однако измерить анизотропию реликтового излучения достаточно сложно. Теоретические оценки говорят, что она не превышает сотых, а то и тысячных долей процента. Измерить такую малую величину мешает тепловое излучение Земли и ее атмосферы. Американские и итальянские радиоастрономы пытались проводить наблюдения с самолетов и высотных аэростатов, но достигнутая точность не удовлетворила исследователей. Советские ученые предложили провести наблюдения с борта искусственного спутника Земли.
Выбор орбиты с очень высоким апогеем позволяет избавиться от помех со стороны не только Земли, но и Луны.
Другое важное преимущество спутникового эксперимента - возможность длительного наблюдения. Как показывает опыт, при экспериментах на самолетах и аэростатах каждую минуту измерений нужно оплатить примерно 10 часами подготовки, а если ту же самую аппаратуру установить на спутнике, то ее можно использовать в принципе сколь угодно долго и значительно сократить тем самым общее время работ.
Советский эксперимент "Реликт" по измерению интенсивностей излучения из разных точек небесной сферы был осуществлен с помощью спутника "Прогноз-9". Регистрировал излучение созданный сотрудниками Института космических исследований АН СССР и установленный на спутнике уникальный радиотелескоп, который по своим возможностям превосходит все аналогичные современные устройства. Это, по сути, настроенный на длину волны 8 миллиметров сверхчувствительный приемник с небольшими рупорными антеннами, обеспечивающими направленный прием. Длина волны-8 миллиметров - выбрана не случайно: более коротковолновое излучение интенсивно поглощается межгалактической пылью, на более длинных волнах мешает шум от галактических источников синхротронного излучения. Была разработана схема осмотра небесной сферы радиотелескопом, которая свела до минимума возможные погрешности измерений.
Эксперимент завершен. Впервые сделан полный обзор небесной сферы с очень высокой чувствительностью в столь высокочастотном диапазоне.
Предварительные результаты говорят, что анизотропия реликтового излучения - кроме анизотропии, вызванной движением Солнечной системы, не превосходит 0,005 процента. Направление и скорость движения нашей Галактики относительно реликтового излучения согласуются с данными предыдущих экспериментов. Вот один из самых интересных и непредвиденных результатов - интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 миллиметров оказалась значительно выше, чем считалось ранее. Это, по-видимому, связано с существованием гигантских областей ионизированного водорода, расположенных в спиральных рукавах нашей Галактики. Такие области, заполненные плазмой (смесью протонов и электронов) и ослабляющие проходящее через них излучение, получили название Н 11-областей. Масса самых крупных иа них превосходит массу Солнца в миллионы раз, а температура плазмы в таких областях около 10 тысяч К.
Замечена любопытная закономерность: плотность ионизированного водорода зависит от размеров той или иной области, а конкретно: чем меньше область, тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено. Некоторые из областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми оптическими методами, другие видны лишь в радиодиапазоне.
Установить причины их возникновения и найти разгадку необычной зависимости плотности плазмы от размеров области - задачи дальнейших исследований.
Мир без конца и без края
Новые законы, открытые в физике элементарных частиц, заставляют предполагать, что картина равномерно расширяющейся Вселенной - это только одна из многих фаз "мировой истории", причем весьма далеко отстоящая от "начала мира". В предшествующей фазе Вселенная мгновенно раздулась из субмикроскопического ядрышка в огромный, практически бесконечный шар раскаленного вещества. То, что до сих пор считалось всей Вселенной, на самом деле лишь ничтожно малая остывшая частичка этого шара. Формулы новой теории, объединившей физику элементарных частиц и космологию, говорят, что привычные нам трехмерное пространство и одномерное время - только часть "сторон" мира. В области малых масштабов мир, по-видимому, обладает большим числом измерений. Такую многомерную структуру имела вся Вселенная, когда 15-20 миллиардов лет назад она образовалась в виде ультрамалой капли сверхплотного вещества.
Коперник и Фридман - две революции в космологии
Насколько велика сила привычки и предубеждений, видно, например, из того, что Галилео Галилей - ученый, едва не попавший на костер инквизиции за приверженность идеям Коперника,- в молодости был их ярым противником. Воспитанный по канонам церкви, он впервые услышал об идеях Коперника на лекциях в университете и искренне считал их очевидной глупостью.
- Я спрашивал об этом многих из числа бывших на лекциях,-вспоминал он впоследствии,- и увидел, что эти лекции служили неистощимым предметом для насмешек.
Мысль Коперника о том, что в представлениях людей об устройстве мира надо поменять местами Солнце и Землю, казалась просто издевательством над здравым смыслом. Но именно эта мысль сняла путы с человеческого мышления и открыла дорогу для построения все более точной научной картины мира.
В последующие столетия стараниями астрономов, математиков и физиков было получено огромное количество новых сведений о явлениях природы, картина мира стала несравненно более полной и совершенной. Уровень XX века трудно сравнивать с полунаучнымиполурелигиозными воззрениями Коперника и его последователей. Тем не менее все эти столетия представления о строении мира как целого оставались в своей основе, по существу, неизменными. Бесконечное пространство, заполненное сгустками кипящей материи звездами, шарики планет вокруг них, разреженный межзвездный газ и пыль. Такая модель бесконечной и вечной Вселенной господствовала в науке вплоть до середины нашего века. Уточнялись и изменялись детали, иногда целые фрагменты, но убеждение в том, что окружающий мир не имеет конца и края в пространстве и времени, сохранялось. Считалось, что количественные и качественные изменения происходят лишь в отдельных участках Вселенной. Планеты, звезды, жизнь - все имеет свой срок существования. Однако, погибнув в одном месте, они возникают и проходят все стадии эволюции в другом, в целом же в своих глобальных свойствах мир остается неизменным.
