Совсем другие аналоги солнечной системы

Совсем другие аналоги солнечной системы  

Если б Солнце по размерам было с яблоко, и Земля величиной была бы с ягоду, а время наше было бы замедленно, то мы бы это даже не заметили.

Евгений Кенеман  

Быть может, эти электроны - 

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но всё та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже 

Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайный

Поставив центром бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья

Творятся токи новых сил,

Кричат, в мечтах самовнушенья,

Что бог свой светоч погасил!

Валерий Брюсов. Мир Электрона  

Здесь не корпускулярный газ!

Мы не волна, не атом света!

Не расщепляй мою планету, 

Остановись, Микромегас! 

Но он не слышит, перед ним 

Дымится чашка с крепким чаем, 

И за окном собака с лаем

По талым лужам голубым 

Гоняется за воробьями...

Вадим Хмелинский  

Спросил я мудреца: "Зачем мы есть?" 

Мудрец ответил: "Чтобы жизнь разнесть 

На ближние и дальние планеты, 

Чтоб, как Земле, Галактике расцвесть."

Илья Миклашевский  

Текст, который предлагается читателю ниже, - это, скорее, поэзия, чем физика. Поэтому ему и предшествует так много стихотворных эпиграфов. Рассматривается модель Вселенной, которую трудно доказать, но столь же трудно и опровергнуть.

Из глубокой древности в наши дни пришла идея, что Вселенная состоит из разномасштабных структур, которые, тем не менее, похожи одна на другую. Демокрит и другие атомисты (Эпикур, Лукреций) доказывали существование атомов множеством способов и в том числе раздельностью крупных тел - звёзд, людей, песчинок, указывая на некоторое их подобие [Вавилов, 1947]. Ещё последовательнее был древнегреческий натурфилософ Анаксагор, живший примерно с 500-го по 428-ой годы до нашей эры. Он учил, что Вселенная построена из гомеомерий - подобных одна другой, но разномасштабных частиц, или структур. Эти частицы делимы до бесконечности, а весь наш видимый мир - это одна из таких частиц, которая входит в состав частицы ещё большего масштаба. Если выражаться современным языком, то атом подобен Солнечной системе, а Солнечная система - Галактике и т.д. Анаксагор был первым, кто издал книгу с чертежами, но тексты Анаксагора не дошли до наших дней, и мы знаем о взглядах этого изгнанного из Афин философа только по краткому рассказу Диогена Лаэртского [1979] и насмешкам его критиков [Лукреций, 1947].  

... Анаксагора теперь мы рассмотрим "гомеомерию..."

... Так из крупиц золотых, полагает он, вырасти может

Золото, да и земля из земель небольших получиться...

... Но пустоты никакой допускать он в вещах не согласен,

Да и дроблению тел никакого предела не ставит...

[Если признаем учение Анаксагора, то атом

Будет подобен Вселенной, частицы ничтожные - людям.]

Выйдет тогда, что они заливаются хохотом звонким,

И по лицу и щекам текут у них горькие слёзы...

Лукреций. О природе вещей.  

Как Анаксагор объяснял устойчивость тех или иных гомеомерий? Почему в реальном мире, окружающем нас, гомеомерии относительно стабильны и не распадаются на бесконечно мелкие частицы? Видимо, он полагал, что чем меньше структура, тем больше усилий нужно затратить на её разрушение. Ведь плотность гомеомерий увеличивается с уменьшением их размера. Если выражаться современным языком, то видимые нами предметы можно раздробить на молекулы обычными физическими способами, молекулы на атомы - только в ходе химических реакций, атомы на более мелкие частицы - только при ядерном взрыве и других особенно мощных физических воздействиях...

Хотя система Анаксагора выглядит логичной, она трудна для восприятия, так как связана с бесконечностью масштабов - с понятием о бесконечно малом и бесконечно большом. Так случилось, что взгляды Анаксагора на долгое время уступили место атомизму Демокрита (около 460 - около 370 до нашей эры), считавшему, что Вселенная состоит из элементарных частиц и пустоты. Элементарные частицы различны по форме и размеру, но все они неделимы и обладают абсолютной плотностью. Демокрит называл элементарные частицы атомами, но сейчас это слово имеет другое значение. Атомизм Демокрита оказался удивительно плодотворным учением и привёл к современной химии и современной физике.

В то же время понятие об элементарной частице за прошедшие два с лишним тысячелетия и особенно за последние несколько веков претерпело значительные изменения. Элементарные частицы Демокрита - это, в основном, молекулы (мельчайшие количества вещества), хотя иногда под ними понимались и атомы в современном смысле этого слова. В общем, понятия "атом" и "молекула" в их современных значениях Демокрит не различал.

Различать их стали гораздо позднее - во времена Ломоносова и Дальтона (в период со второй половины XVIII по первую половину XIX века). Атом - мельчайшая и неделимая частица химического элемента, по сути - элементарная частица. Молекула - мельчайшая и физически неделимая частица вещества, которая может состоять из нескольких атомов.

Во времена Эрнеста Резерфорда (1871 - 1937) выяснилось, что атом имеет сложное строение. Он химически неделим, но может распадаться самопроизвольно и в результате мощного физического воздействия. Атом оказался сложной частицей, состоящей из ядра и электронов. Возникла знаменитая планетарная модель атома: массивное атомное ядро находится в центре атома и подобно Солнцу, а вокруг него по круговым или эллиптическим орбитам вращаются электроны, которые подобны планетам Солнечной системы. Разумеется, такая модель привела к воскрешению взглядов Анаксагора, хотя самого Анаксагора с его гомеомериями при этом не вспоминали.

К этому времени давно устоялись представления о сходстве систем планет-гигантов с Солнечной системой (и планеты-гиганты, и Солнце обладают многочисленными спутниками, масса сконцентрирована в центре системы, а движение - в спутниках). Кроме того, люди уже знали о принадлежности Солнечной системы к Нашей Галактике и о вращении Солнца и других звёзд вокруг центра этой Галактики. Были известны другие галактики, а также скопления галактик. Всё это вместе взятое возрождало иерархическую модель Вселенной ("миры в мирах").

В это же время и чуть позднее были сделаны и другие открытия, которые, казалось бы, должны укрепить подобные натурфилософские взгляды: ядро оказалось состоящим из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны - из кварков. В мощные современные телескопы недавно удалось разглядеть ещё одну крупномасштабную структуру - сверхскопления галактик, состоящие из множества их скоплений [Бернс, 1986; Дресслер, 1987; Сурдин, 1996]. Вслед за этим в центрах некоторых галактик и в том числе в центре Нашей Галактики были открыты сгустки массы - "чёрные дыры", напоминающий сгусток массы в центре атома и в центре Солнечной системы [Таунс, Гензел, 1990; Рис, 1991; В центре Млечного Пути..., 1999]. Такие же "чёрные дыры" открыты и в других галактиках [Чёрная дыра в Галактике? 1992; Чёрная дыра в галактике..., 1998]. Как несколько атомов могут быть объединены в молекулу, или несколько звёзд образовывать кратную звёздную систему [Звёзды не любят одиночества, 1991], так и несколько близких галактик могут взаимодействовать гравитационно. Спутниками Нашей Галактики, возможно, являются Большое и Малое Магеллановы Облака [Мэтьюсн, 1985].

Тем не менее, развитие современной физики пошло по другому пути, так как многие факты не уложились в "иерархическую" модель.

Таких фактов имеется две группы: 

атом и другие частицы микромира по многим параметрам принципиально не похожи на Солнечную систему и другие крупные гомеомерии; 

Вселенная в целом (видимая область Вселенной) развивается по своим специфическим законам, которые не похожи на законы развития Солнечной системы и т.п. гомеомерий. 

Ниже эти две группы фактов рассматриваются в первом приближении, а также приводятся замечания автора о том, как можно вернуться в русло иерархической модели. Суть замечаний сводится к тому, что мы сравниваем не то и не с тем, а, кроме того, производя эти сравнения, неправильно представляем Солнечную систему.

Чем именно атом не похож на Солнечную систему? Во-первых, строгой обязательностью своего строения и поведения составляющих его частиц: электроны обладают не любой, а строго определённой и одинаковой массой покоя; электроны могут двигаться не по любым, а по строго определённым орбитам, образующим вокруг атома строго определённое количество электронных слоёв; электроны теряют энергию не постепенно (как искусственные спутники Земли, трущиеся о воздух), а строго определёнными порциями (квантами); электроны движутся не по стабильным круговым или же эллиптическим орбитам, как планеты, а постоянно меняют траекторию, образуя объёмное электронное облако строго определённой формы (орбиталь); одну и ту же орбиталь могут занимать одновременно два разноспиновых электрона, что для планетного мира не характерно; электроны и другие объекты микромира одновременно являются частицами и волнами (разрешённые орбитали выводятся из волновой природы электрона), а для макромира такая двойственность не характерна; атомные ядра могут иметь не любые, а строго определённые массу и заряд; атомы одного и того же элемента тождественны один другому, что трудно представить себе для планетных и т.п. систем. Атомные ядра изучены хуже, чем электронные оболочки атомов, но и там, по-видимому, существуют чёткие правила послойного расположения протонов и нейтронов. Сами эти частицы имеют строго определённую и к тому же одинаковую массу, как и составляющие их кварки. Таким образом, микромир отличается от макромира принципиально, и главные из этих отличий - квантованность и двойственность объектов (частица и волна одновременно).

Да, конечно, Солнечная система - это не просто увеличенная копия атома. Она другая. Но давайте повнимательней всмотримся в неё. Нет ли и в ней хотя бы каких-то признаков квантованности и двойственности объектов? Уже несколько веков известна так называемая закономерность Боде: каждая следующая планета в среднем в 1,7 раза дальше предыдущей. Только на этих орбитах "зародыши" будущих планет оказались устойчивыми и смогли сформировать из протопланетного облака современную планетную систему. Остальные были выбиты с орбит в самом начале своего существования и поглощены более удачливыми "собратьями". Согласно современным представлениям, планеты "слипаются" за несколько миллионов лет, то есть довольно быстро по сравнению с общим сроком существования планетной системы, уже составляющим около 5 миллиардов лет [Блэк, 1991]. Второй пример квантованности - это разрешённые и неразрешённые орбиты астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Группировки астероидов, находящихся на разрешённых орбитах, отделены от других таких группировок "люками" Кирквуда - зазорами, которые соответствуют орбитам, кратным периоду обращения Юпитера: 4:1, 3:1, 5:2, 7:3, 2:1, 5:3, 3:2, 4:3, 1:1 [Бинцель и др., 1991]. В основе этой закономерности лежат резонансные явления, то есть планеты демонстрируют нам свои волновые качества. Напомню, что единая планета не смогла возникнуть между Марсом и Юпитером именно из-за резонансных явлений. Третий пример - неразрешённые орбиты в поясе Койпера [Новый транснептунианский..., 1995].

Значит, мы поначалу не заметили некоторые сходные черты атома и Солнечной системы, так как не знали Солнечную систему. Знаем ли мы её сейчас? И корректны ли наши сравнения? Ведь атом мы воспринимаем в динамике (статистически), а планетную систему видим почти застывшей в один определённый момент времени. Поясню эту мысль. Сколько оборотов вокруг Солнца успела сделать наша Земля со времени своего возникновения? Примерно 5 миллиардов (Солнце и Земля по современным представлениям существуют чуть менее 5 миллиардов лет, но Солнце раньше было чуть-чуть массивнее, и Земля вращалась вокруг него чуть быстрее, а потому для приблизительных расчётов можно выбрать именно эту цифру). А за какое время электрон делает вокруг атомного ядра эти 5 миллиардов оборотов? Разумеется, электроны и атомные ядра бывают разными (ядра отличаются по заряду, а электроны могут быть в разных слоях и на разных орбиталях в пределах слоя - s, p, f, g), но ведь разными бывают и планеты. Поэтому правильней всего было бы выбрать 2s-электрон фтора (у фтора тоже 9 "планет", а его 2s-электрон - аналог "Земли"). Но "под рукой" оказались данные по невозбуждённому атому водорода. Его диаметр - 0,00000001 см [Орир, 1969]. Длина орбиты его электрона - это произведение числа "пи" и диаметра (0,0000000314 см). Скорость электрона составляет 1/137 часть скорости света, то есть 30 000 000 000 см/с, делённое на 137, или примерно 220 000 000 см/с. Один оборот электрон совершает за 1,42727272727*10-16 секунды. 5 миллиардов оборотов он совершит за 0,0000007 секунды. Значит, наша Солнечная система по "единым часам" от момента своего возникновения просуществовала всего семь десятимиллионных частей секунды! А сколько всего с ней успело случиться! В ничтожные мгновения (практически мгновенно) возникли Солнце и все планеты; за последующие доли секунды Солнце потеряло часть массы, и планеты отодвинулись от него; некоторые из них успели повернуться одной стороной к своим спутникам (Плутон) или заметно затормозить (Земля); многие спутники тоже "застыли" и заметно отодвинулись от своих планет (Луна и другие), а некоторые разорвались, превратившись в кольца планет-гигантов; многократно с более или менее определённой частотой поменялись магнитные полюса планет... Есть также предположения, что много раз циклически изменились орбиты Земли и планет [Рич и др., 1997]. А что будет с планетной системой через 1 секунду по "единому времени", то есть через 7 000 000 миллиардов земных лет? Во-первых, она может не дожить до этих "дней". Всего через 10 миллиардов земных лет (примерно 1 миллионная секунды по "единым" масштабам времени) Солнце, став перед этим красным гигантом, сбросит свою оболочку и испарит часть планет, и, как знать, что будет через эту самую "универсальную секунду"! В общем, наша Солнечная система по "универсальным" понятиям - это нестабильная короткоживущая частица. Она имеет некоторое сходство с обычным устойчивым атомом (масса сосредоточена в ядре, движение - в электронах, орбиты квантованы и определяются волновыми законами), но скоро погибнет, и её полные аналоги нужно искать где-нибудь в пекле ядерного взрыва, где тоже рождаются нестабильные атомы и другие, меньших размеров, короткоживущие частицы. Да и как вообще можно сравнивать стабильные атомы с Нашим Макромиром, если он сейчас претерпевает Большой взрыв! Именно этот взрыв породил современные галактики и прочие макроструктуры. Потом же из них могут возникнуть устоявшиеся объекты, которые не будут "попусту" излучать энергию, приобретут оптимальные и стандартные размеры. Как знать, не примет ли участие в этой стабилизации разум? Ведь за такое почти бесконечно долгое время, как "универсальная секунда", разумные существа, возникшие в различных уголках Нашего Мира, успеют объединиться и полностью подчинить себе ближайшие по масштабу гомеомерии. Вот мы и возвращаемся к Анаксагору, считавшему, что двигателем и организатором мироздания на всех уровнях является разум ("нус") - неотъемлемое свойство тонко организованной материи.

Можно представить себе и такую картину. "Угомонившийся" тёмный остаток Солнца удерживает на минимально возможных в энергетическом отношении устойчивых орбитах планеты, причём они стандартны по размеру и для экономии пространства укомплектованы на каждой орбите по две (с разных сторон от Солнца). Возможность такой модели допускал ещё Пифагор, считавший, что для достижения симметрии и гармонии на земной орбите по другую сторону от Солнца должна быть Противоземля [Порфирий, 1979]. Отсюда и пошла идея антимира. Устойчивость орбит определяется взаимной кратностью периодов обращения по ним, как в атоме. Вовсе не обязательно, что самые устойчивые орбиты должны быть в какой-то единой плоскости. Ведь такой порядок вещей унаследован от единого протопланетного облака или даже от единого облака, из которого возникли Солнце и планеты. Если нет какого-то одного слишком массивного "юпитера", который "повелевает" другим планетам вращаться в его плоскости, то может существовать математическая модель устойчивой системы, которая занимает не плоскость, а весь объём пространства вокруг "солнца". Интересно, что орбиты не обязательно должны быть круговыми (s-орбиты). Они могут быть вытянуты и существовать в различных плоскостях (p-орбиты), чтобы не мешать одна другой. Движение по таким орбитам может быть очень сложным. Примерно так движутся вокруг общего центра масс звёзды в шаровых скоплениях [Кинг, 1985]. Не исключено, что вещество в процессе длительной эволюции может само прийти к такой устойчивой структуре, но в подобной "оптимизации" может принять участие и разум. И в одном, и в другом случае планетная система окажется подобна атому.

Фантазировать можно до бесконечности. В нашей Солнечной системе имеется только одна звезда. Но в центре подобных систем бывает несколько звёзд, вращающихся одна вокруг другой [Звёзды не любят одиночества, 1991]. Вот вам и аналог атомного ядра, состоящего из нескольких нуклонов - протонов, нейтронов! Пока человечество не сумело решить даже проблему вращения трёх тел (есть решение лишь частного случая, когда все три тела резко отличаются по масштабу), но это не значит, что подобную задачу нельзя решить вообще. Можно представить себе систему, в которой на большом расстоянии одна от другой имеется несколько звёзд, причём близкие к звёздам планеты не покидают "своих" звёзд, а далёкие (во внешнем планетном слое) движутся по сложным траекториям вокруг нескольких центров одновременно. Вот вам и "молекула" на планетном уровне! Аналог молекулы на галактическом уровне - галактика Андромеды с двумя "чёрными дырами" в центре ["Каннибал" живёт по соседству, 1994].

Кстати, недавно волновые явления были обнаружены на галактическом уровне. Звёздные комплексы (внутригалактические структуры, состоящие из сверхассоциаций, которые соответственно образованы звёздными ассоциациями) располагаются вдоль спиральных рукавов Нашей Галактики с регулярными интервалами, которые соответствуют так называемой "джинсовской длине волны" в теории гравитационной неустойчивости [Ефремов и др., 1998]. Авторы утверждают, что "теперь мы можем быть уверенными в том, что и наша Галактика относится к регулярным спиральным системам, где спиральные ветви имеют волновую природу" (с.12), так как только гравитационным "слипанием" структуру Галактики не объяснить. Сложную комбинацию образуют в Галактике также ударные волны, которые возникают двумя способами: при движении газа через спиральные рукава (самые масштабные) и при взрывах сверхновых и их групп (менее мощны, но тоже вызывают волну звездообразования в газе) [Ефремов и др., 1998].

Недавно открыто поразительно сходство реактивных струй у молодых звёзд и молодых галактик, которые, согласно теории Оуеда, Пудрицы и Стоуна, благодаря этим струям, истекающим с полюсов, избавляются при сжатии от 99,99% исходного углового момента движения газовопылевого облака [Сурдин, 1998а].

Теперь вернёмся к рассмотрению Вселенной как единого целого в принятом в наши дни понимании этого слова. Согласно современным представлениям [Бернс, 1986; Фридман, 1993 и др.], Вселенная возникла примерно 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва массы, сосредоточенной в точке, и в настоящее время продолжает расширяться с огромной скоростью. Эта скорость - постоянная Хаббла (по имени первооткрывателя разбегания галактик). Вне этой расширяющейся области как бы нет ничего. До Большого взрыва тоже как бы не было ничего, так как само время, возможно, не существовало. Конечно, такая модель Вселенной не имеет сходства ни с Солнечной системой, ни с такой более крупной структурой как Галактика. Ведь и Солнечная система, и Галактика возникли из газово-пылевых облаков под воздействием взаимного гравитационного притяжения частиц [Блэк, 1991 и др.]; обладают массивными центрами [Таунс и др., 1990; Рис, 1991] и вращающимися вокруг этих центров объектами; и Солнечная система, и Галактика не склонны к взрывообразному расширению и т.д. (хотя Солнечная система как раз расширяется из-за постепенного уменьшения массы Солнца).

Но знаем ли мы Вселенную в целом? Мы более или менее представляем наблюдаемую область Вселенной, часть Вселенной и, возможно, ничтожно малую её часть, бесконечно малую. Однако, для нашего "зазнавшегося" времени привычно называть этот фрагмент пространства Вселенной. Из-за смешения понятий "Вселенная в целом" и "Наш мир" (наблюдаемая область Вселенной) возникает много недоразумений. Так, например, разногласия в оценке взглядов Лукреция на эволюцию возникли из-за смешения авторами XX века именно этих понятий. Лукреций же чётко различал эти вещи: для Вселенной он эволюцию не признавал, а все отдельные миры, согласно его взглядам, эволюционируют в направлении усложнения структуры до их гибели [Насимович, 1994]. Миры эти различны. Какие-то из них могут и взрываться в данный момент. Бывают же взрывы структур более близких к нам по масштабу - звёзд, метеоритов, вулканов, газовых скоплений и произведений рук человеческих! Но, если взрывается сверхновая звезда, то это не означает, что все звёзды всегда существуют в состоянии взрыва. Так и с нашей областью Вселенной. Если она взорвалась и продолжает взрывообразно расширяться, то это не означает, что везде во Вселенной происходит взрыв.

Р.Олдершоу (R.Jldershaw, Амхерстский колледж, штат Массачусетс, США) выдвинул гипотезу иерархической космологии, развивающую теорию, которая вышла из моды с появлением представлений о Большом взрыве. Согласно этой теории, при каждом переходе в наблюдательной астрономии ко всё более крупномасштабным объектам за ними обнаруживаются следующая структура. Иначе говоря: кварки - барионы (протоны и нейтроны) - атомы - спутники планет - планеты - звёзды - шаровые скопления - галактики - скопления галактик - сверхскопления галактик... Если признать правильность этой модели, то, согласно Олдершоу, не Большой взрыв был 15 миллиардов лет назад, а локальный "местный" взрыв, в результате которого сформировался облик наблюдаемой части Вселенной.

Эта гипотеза снимает: 

проблему происхождения Вселенной (она вечна); 

проблему первоначальной точечности Вселенной (не было этого); 

проблему "тёмной материи", или "скрытой массы", неизбежную при Большом взрыве ("скрытая" масса может находиться и вне области расширения); 

проблему звёзд старше Вселенной (залетели в нашу область Вселенной из других областей за 15 миллиардов лет) [Вселенная подобная матрёшке? 1992]. 

В космологическом отношении в гипотезе Олдершоу нет каких-либо противоречий, но не хватает и доказательств правильности подобных взглядов. В общем, эти взгляды могут существовать на правах общефилософских и строго не доказанных, как и представление о взрывающейся Вселенной. Есть, правда, ряд конкретных замечаний: возраст и Вселенной, и самых первых звёзд в самое последнее время оценивается не в 15, а в 12 миллиардов лет; проблема скрытой массы имеет и иные решения [Возраст Вселенной..., 1997].

Наша Солнечная система по сравнению с атомом - это молодая структура, не пришедшая ещё к стабильности, "короткоживущая частица". Ещё менее стабильны структуры высшего порядка - галактики, скопления и сверхскопления галактик. По их внутреннему времени от Большого взрыва прошли только самые первые мгновения. В центрах галактик только начали формироваться центральные ядра - "чёрные дыры", а вращающиеся вокруг этих центров многие миллиарды звёзд (пылинки!) ещё не успели сформировать планетоподобные или же электроноподобные образования (тоже, возможно, ничего не излучающие "чёрные дыры", но меньшей массы). В такой ситуации гипотезу тождества гомеомерий трудно доказать, но нельзя и опровергнуть. Может быть, земная разумная жизнь потому и кажется одинокой, что Большой взрыв уничтожил прежнюю тонкую структуру окружающей нас Вселенной, и жизнь стала развиваться "с нуля", ещё не успела овладеть всей окружающей нас "мёртвой" материей и поставить её под контроль Разума?

Обращает на себя внимание различное соотношение случайного и закономерного для гомеомерий разных уровней. Для атома преобладает закономерное, он описывается только статистически. В мире привычных масштабов видны и случайное, и закономерное. Для более крупных структур случайное заметно сразу (Млечный Путь люди знали с древности), а закономерное стало познаваться только недавно и с большим трудом, то есть эволюцию Нашей Галактики мы хотя бы частично поняли, когда смогли рассмотреть в телескоп множество других галактик на различных стадиях развития. Наивысшая из наблюдаемых гомеомерий демонстрирует нам лишь случайное, то есть мы, например, оказались частью взрывающейся области, а могли бы быть частью стабильного уголка, частью живого или неживого объекта, разумного или неразумного.