Оқулық Алматы, 2003 ббк 28. 073 ф 16 ф 16 Фазылов С. Д., Молдахметов З. М., Ғазалиев А. М

Бүкіләлемді зерттейтін космологая ғылымы космостық денелер мен олардың түзетін әр түрлі жүйелердің құрылымы мен дамуын зерттейтін ерте заманғы ғылым - астрономияның дамуынан шықты. Ал астрономия адамзаттың күнделікті тұрмыстық қажеттіліктері (маусымдық құбылыстарды алдын ала болжау, уақытты өлшеу

және т. б.) негізінде қалыптасты. Қазіргі уақытта астрономия телескоптар, компьютерлік есептеу техникалары, космостық зондтар сияқты космостық зерттеу техникаларының тез дамуы нәтижесінде ол өзінің "екінші жастық шағын" өткізуде деуге болады.

Космосты зерттеу мен игеруге негізделген ғылыми-техникалық және технологиялық бағыттамалардың жиынтығы - космонавтика ғылымының дамуы нәтижесінде адамзаттың ертеден бері келе жатқан арманы орындалып, космос әлеміне үшу мүмкін болды. Космостық ұшулар космостық денелердің құрылысын, құрамын және физикалық, химиялық құбылыстарды, Бүкіләлемдегі сәулеленулерді зерттейтін астрофизика ғылымының мүмкіншіліктерін өте кеңейтті. Астрофизикалық зерттеулердің нәтижелерінің қызықтығы мынада: кейбір төжірибелер үшін Жер бетіндегі ғылыми зерттеулерге қажетті жағдайларды - ұзақ сал-мақсыздықты, өте үлкен қысым мен жоғары температураны, тығыздықты және т. б. тек қана космостық әлемде ғана жасауға болады.

Қазіргі уақытта космонавтика ғылымының болашақтағы дамуына жерге жақын орбитада ұшып жүрген халықаралық космостық станцияларда

86

жүргізіліп жатқан химиялық, медициналық және биологиялық жұмыстардың маңызы зор деп қарауға болады. Осы космостық станциялар арқылы алыс және жақын ғырыш әлеміне космостық кемелерді жіберіп, Жер бетіне жетпей жатқан Бүкіләлемнің қысқа толқынды сәулелерін зерттеуге болады. Бүкіләлем туралы қазіргі заман талабына сай ғылым жетістіктері әлемнің жаратылыстанулық бейнесін жасауда маңызды орын алады.

Жұлдыздар Бүкіләлем аймағында сирек орналасқан: Күнге ең жақын орналасқан жұлдыз а-Центавра одан 4.2 жарық жылына тең қашықтықта болса, одан кейінгі Күнге жақын жұлдыз Сириус одан 8 жарық жылына тең қашықтықта орналасқан. Галактикада жұлдыздардан басқа газдар мен шаңдар да көп кездеседі.

Қазіргі заманғы радиотелескоптар 3 см-ден 15-30 м-ге дейінгі толқын ұзындықтарында жұмыс жасайды. Қазіргі заманғы радиотелескоптардың сезімталдығы өте жоғары - олар 2-3 млрд. жарық жылына тең қашықтықтағы объектілердің радиосәулеленулерін тіркей алады. Бірақ-та осы астрономиялық сәулеленулердің ішіндегі ең фундаментальдылығы нейтриноның сәулеленуі жатады. Барлық жұлдыздар нейтриноны сәулелейді, осыған байланысты Бүкіләлемнің барлық бөлігінде де сіңілмейтін және тарқап кетпейтін нейтриноның өте үлкен тасқынды-толқындары бар. Бүкіләлемдегі барлық бөлшектерді қоссақ та нейтриноның шамасы олардан көп. Біздің Бүкіләлеміміз "нейтрино теңізінде" жүзіп жүр деп айтуға болады. Бұл теңіз Бүкіләлемдегі денелердің эволюциясымен байланысты, сондықтан да ондағы болып жатқан процестерді түсінбей, біз Бүкіләлемнің эволюциясы-ның мағынасын да анықтай алмаймыз.

Нейтрино астрономиясының болашағы зор. Бірақ қазіргі уақытта нейтриноны біз тек қана біздің мүмкіншілігіміз шектелген аймақта ғана зерттей аламыз, Бүкіләлемдік нейтрино бізге әлі толық беймәлім. Бүкіләлемде нейтринодан басқа антинейтрино да

бар, бірақ олар нейтриноға қарағанда өте аз. Осы мысалдан біз Бүкіләлем құрылымының бір зат пен оның қарама-қарсы затынан тұратын асимметриясын көреміз.

Рентгендік әр түрлі көздердің ішінен транзиент көздерін жеке айта өтейік. Транзиент — бұл кейде аспан кеңістігінің бір аймағында ойда-жоқта пайда болатын рентгендік жұлдыз. Бұл жұлцыздың сөулеленуі бір аптадай жоғарылап, содан кейін бірнеше

88

айдың ішінде қайтадан космостық фонға дейін төмендейді.

"Қара тесіктер" тұрақты динамикалық тепе-тендік жағдайда болады, сондықтан да қазіргі уақытта "қара тесіктер" термодинамикасының дами бастауы кездей-соқ емес.

Бүкіләлемді үш құрылымдық деңгейге - мегамир, макромир және микромир деп бөлетініміз белгілі. Астрономияда кез-келген, әрбір, кішкентай болса да объект - астероид, метеорит, микрометеор - жеке деңгейде қарастырылады. Олардың әрқайсысы да өзінің тарихы бар және даму барысындағы жүйе ретінде зерттеледі.

Астрономиядағы материя иерархиясының құрылымдық деңгейлерінің ішінен планетаны, жұлдызды, галактиканы және метагалактиканы бөліп айтады. Күн жүйесінің объектілерін қарастырғанда планеталар мен осы жүйенің басқа элементтеріне деген біздің көзқарастарымызды өзгерткен соңғы ашылған зерттеу нәтижелерін атап өтуіміз керек, мысалы, метагалактикадағы "Үлкен жарылыс" концепциясы.

Күн жуйесі. Күн жүйесі Күннің тартылыс күші әсер ететін кеңістік аймағын қамтиды және оның размері Күн мен Жердің арасындағы қашықтықтан 2 • 10⁵ есе үлкен. Бұл жүйенің құрамдастары болып Күн, планеталар (ғаламшарлар), кометалар, метеориттік денелер, космостық шандар кіреді. Күн жұлдыз ретінде -бұл жәй сары карлик, қатты қызған плазмалық шар. Ол өз осінен Жерменен бір бағытта айналады және өз

89

магаиттік өрісі бар. Физиканың "Күн физикасы" деп аталатын жеке тарауы бар. Ол оның ішкі құрылысын, сәулеленуін, атмосферасын және т.б. зерттейді.

Соңғы онжылдықтарда планеталарды зерттеу жұмыстары бұрын астрономияда белгісіз деректерді ашты. Мысалы, Венераның атмосфералық құрамы, температурасы мен қысымы басқа планета көрсеткіштерінен мүлдем өзгеше екен. Оның негізгі атмосфералық бұлттарының қалындығы 24 км, оның құрамында газдардың мөлшері: СО₂ - 96.4%, N. - 3.4%, Н₂О - 0,135%. ³⁶Аг, ³⁸Аг, ²⁰ Nе. газдарының мөлшері өте кеп болып шықты, ³⁶Аг- ның мөлшері Жердегіден 200-300 есе көп.

90

жүріп жататын термоядерлық реакциялар кезіндегі сутек атомдарынан гелийдің түзілу процестерімен байланысты келеді. Барлық сутегі атомдары түгел таусылған кезде жұлдыз ұлғайып қызыл түсті үлкен гигантқа айналады. Осыдан кейін басқа термоядролық реакциялар жүреді: гелийдің үш атомынан көміртек атомының ядросы түзіледі. Бұл реакция толық біткен соң жұлдыздың дамуының жаңа сатысы басталады. Массасы Күн массасының 1,2 бөлігінен кем жұлдыз өзінің сыртқы қабатынан айрылып, бірнеше ондаған мың жылдардан кейін тарқап кетеді. Бұрынғы қызыл гигантты жұлдыздың орнында тығыздығы үлкен кішкене оның орталық бөлігі ғана қалады. Ол ақ карликке айналып, ядролық реакциялардың тоқтауына байланысты, салқындай бастайды. Бұдан ары қарай ол ауқымы жер ауқымынан кіші "қара" карликті өлі суық жұлдызға айналады. Космостағы көптеген жұлдыздардың эволюциясы осылай бітеді. Біздің Күн де 8 млрд. жылдан кейін қызыл түсті гигантқа, одан соң ақ карликке айналады.

Күн жүйесі кіретін жұлдыздар жиынтығын (біздің Галактикамызды) Құс жолы деп атайды (Млечный путь). Күн осы галактиканың орталығынан 8000 парсектік = 26000 жарық жылына тең қашықтықта орналасқан. Біздің Жер планетамыз Бүкіләлеміміздің

91

квазистационарлы, тыныштау аймағында орналасқан жалғыз және тұрақты жұлдыз Күннің жүйесіне кіреді.

Жер өзімен бірге қозғалатын газды атмосферамен қоршалған. Атмосфера негізінен азоттан (78,1%), оттегіден (21%) түрады. Жер қүрамында темір (34,5%), оттегі (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%) көбірек, бірақ олар біркелкі орналаспаған. Жер ядросының қысымы - 3,6410" Па, температурасы - 4000-5000°С. Жер бетінің 29,2% - құрғақ материктер, 70,8% - мұхит сулары алып жатыр. Құрылықтың орташа биіктігі - 875 м (ең биіктігі - 8848 м - Гималайдағы Джомолунгма шыңы), мүхиттың орташа тереңдігі -3800 м, ең терендігі - 11022 м (Тынық мүхиттағы Мариан шұңқыры). Жер бетіндегі ең жоғары температура - тропиктерде (Ливияда) - плюс 57,8°С, ал ең төмен температура - минус 90°С (Антарктидада).

92

Литосферадағы процестер тектоник ғылымымен зерттеледі. Тектоникада литосфера бір-біріне қатысты орташа жылдамдықпен (шамамен бірнеше см/жыл) қозғалып тұратын плиталар жүйесімен сипатталады. Бұл плиталар ядроның балқыған беткі қабатында ор-наласып, бір-бірімен түйісіп қозғалыста болады. Тектоникалық белсенділік деп аталатын осы қозғалыстар жер сілкінулерге, вулкандардың оянуына, жер қыртысы мен мұхит табандарының өзгеруіне әкеледі.

Жердің жас шамасы шамамен 4,7 млрд. жыл. Геохронология (Жер эволюциясы туралы ғылым) деректері бойынша литосфераның, гидросфераның, атмосфераның химиялық құрамының өзгеруі Жер биосферасының қалыптасып өзгеруін қамтамасыз етті. Биосфера - атмосфераның төменгі аймағын, гидросфераны және литосфераның жоғарғы жағын қамтитын тір-

93

шілік иелері өмір сүретін аймақ. Биосферада тірі организмдер мен олардың өмір сүру ортасы бір-бірімен тығыз байланыста және бір-бірімен әрекеттесу жағдайында болып, біртұтастық динамикалық ашық жүйені (системаны) құрады (ашық жүйе деп - бір-бірімен энергия, зат алмасып тұратын жүйелерді айтады). Жер толық қалыптасқаннан кейін 1,2-1,7 млрд. жылдан кейін Віршілік пайда болды. Қазіргі уақытта биосфера массасының өскені соншалық, ол бүкіл геосфераға, мысалы, атмосфера құрамына әсер ете бастады.

Тірі зат - өзін-өзі тууға қабілеті бар, Жер биосферасындағы тірі организмдердің жиынтығын білдіретін материалдық жүйенің ерекше түрі. Табиғат макромирде негізінен адамның табиғи өмір сүру ортасы ретінде қарастырылады. Көп жағдайда осы ортаның мегамирмен және микромирмен байланысын адам дұрыс қарастырмайды. Осы байланысты ескермеу адамның табиғатқа тек қана өзінің қажетгілігін өтейтін түбі жоқ байлық көзі ретінде қарауды қалыптастырды. Табиғатқа деген осындай көзқарас адамзаттың алдына энергетикалық, экологиялық және демография-лық қауіптердің төну мүмкіншілігін әкеліп отыр. Қазіргі заманғы қоғам осы жағдайды өзгертуге тырысуда. Табиғатпен қарым қатынас жасаудың негізгі концепциясы болып тепе-тендік концепциясының - табиғат пен адам гармониясыныц түзілуін түсінеміз.

Бұл концепция ең бірінші Жер қойнауынан алынып жатқан табиғи байлықтарға қатысты. Қазіргі заманғы техника жетістіктері жер қыртысының 2 км-ге дейінгі тереңдігінен пайдалы қазбаларды алуға мүмкіншілік береді. Ал Жердің байлықтары шектеулі жөне алдағы уақытта таусьшады, сондықтан да ескі

94

технологиялардың орнына қазіргі заман талабына сай супертехнологияларды, тұйық циклді технологияларды енгізу қажет.

Сонымен, қорыта айтсақ, адамзат цивилизациясының ары қарай дамуы биосфера жағдайымен келісімді түрде болу керек.

4.4. Әлемнің ғарыштық үлгілері

Бүкіләлем кеңістігін космология (греч. коsmоs -Бүкіләлем) ғылымы зерттейді. Оның негізгі мақсаты әлем құрылысының зандылықтары мен даму эволюциясын зерттеу болып табылады. Бүкіләлеміміз біртұтас болғандықтан, оның заңдылықтары Жердегі көптеген меселердің бетін ашады деп күтілуде. Бүкіләлемді зерттеу негізінен үш постулатқа сүйенеді:

- һ физикада ашылған заңдылықтар Бүкіләлемнің барлық аймағында да орындалады;

- һ жер бетінен жасалған астрономиялық зерттеу нәтижелері Бүкіләлемнің барлық аймағында да дұрыс;

- һ Бүкіләлемде антроптық принцип сақталады: тірі жүйе мен космостық дене ретіндегі адамның өмірсүруі мен әлемнің

95

физикалық константаларының арасындағы байланыс. Бұл принциптің мағынасы -Жердегі физикалық константалардың белгілі бір шамаларының сәйкестігінің нәтижесінде адамның пайда болуына жағдай туды.

Басқа ешқандай болжамға бас ұрмай Фридман Әлемнің статикалық болуы мүмкін емес екендігін көрсетті. Әлемнің барлық бағыттардан біркелкілігі туралы болжам шындығында, әрине, теріс. Біз білетіндей, біздің Галактикадағы басқа жұлдыздар бүкіл аспан арқылы өтетін анық көрінетін жарық жолағын

96

Фридманның шынайы Әлемге "долбарлы" жақын ги-потезасының жалғыз негіздемесі болды. Бірақ кейін, XX ғасырда жасалған астрономиялық бақылаулардың Фридманның моделдерімен сәйкес келетіндігі және Әлемнің бастапқы сингулярлықтан ұлғая беретіндігін көрсететіні анықталды (материя тығыздығы шексіз жердегі өте кіші көлемнен бастап).

Екіншіден, американдық астроном Хаббл (1889-1953) 1929 жылы алыс галактикалардың бізден қашықтаған сайын бақыланатын доплерлік жүйелі түрде "қызылдануын" салыстыра отырып, бұл галактикалардың біздің Галактикадан және бір-бірінен бірқалыпты қашықтап бара жатқандығын анықтады, былайша айтқанда, біздің барлық Метагалактикамыз жүйелі түрде бірқалыпты ұлғая береді. Доплер эффектісін еске түсірейік — бұл жарық көзі мен бақылаушының салыстырмалы қозғалысына қарай жарық толқында-рының ұзындығының ұзаруы.

Жалпы жеткілікті тұрғыда біртекті және изотропты бірқалыпты ұлғаятын біздің Метагалактикамызды шынында да сәйкес релятивистикамен Фрвдманның космологиялық үлгісімен бейнелеуге болатыңдығы анықталды.

Айтылғандарды қорытындылай келе, біз үшінші ғаламдық жаратылыстық-ғылыми төңкеріс әлемнің ғылыми бейнесін астрономияны, космология мен физиканы өзгерту арқылы түп негізінен басқа түрге енгізді деп айта аламыз және бұл кез келген центризмнен толық бас тартуды білдіреді.

Егер үш ғаламдық жаратылыстық-ғылыми төңкерістердің әрқайсысын оларды аяқтаған ғалымдардың есімімен атайтын болсақ, онда ақырғы екі төңкерісті Ньютоңдық және Эйнштейңцік деп айтуға болады.

Әлем қалай құрылған? Ол қалай "өмір сүреді" және дамиды? Оның шегі бар ма, әлде жоқ па? Ол бүдан белгілі бір уақыт бұрын пайда болды ма немесе әр-

97

қашан да болған ба? Ол мәңгі өмір сүре ме, әлде бір кезде оның ақыры келе ме?

Ньютон Әлемді шексіз деп болжады. Әлемнің бір-тұтас бүтіндігі туралы сөз болғанда оның бүкіләлемдік тартылыс заңы қарсы түра алмайтын қиындыққа тірелді. Егер жұлдызды Әлемнің шекті мөлшерлері болса, гравитациялық өзара әсерге заттың әрбір бөл-шегі тартылып, Әлем біртұтас массаға айналар еді. Бұл қиындықты шешу үшін Ньютон Әлемді шексіз деп жорамалдады, сондықтан белгілі нүктедегі тартылыс күштері өзара теңгеріледі және барлығы да (заттар, денелер) құлауға болатындай ортақ орта жоқ.

Осыған байланысты өте маңызды бір фактіні белгілейік: түнгі аспан қап-қараңғы. Неге? Әлемнің жасы мен мөлшері жағынан шексіз жұлдыздардың тұрақты орналасуынан құралуы мүмкін емес. Шынында да, егер бұлай болмаса, бақылаушының әрбір көз салуы жұлдызға кездесер еді, бірақ аспан қара ғой! Бұл фактінің түсіндіруі ұлғайып бара жатқан Әлемнің космологиялық үлгісінде жатыр. Галактика алыс болған сайын ол бізден соншалықты үлкен жыл-дамдықпен қашықтай береді, сондықтан оның спектр сызықтарының қызыл ығысуы көбірек болады. Ал жарық көзінің сәулеленуінің қызыл ығысуы оның үдемелі қарқындылығын азайтады. Белгілі бір қашықтықта қызыл ығысудың көптігі сонша, біз енді жарықтың көзін көрмейміз. Хаббл заңына сәйкес (галакгикалардың жан-жаққа "қашу" заңы) Әлемнің тым болмаса бақылауға болатын бөлігінің белгілі бір шекарасы бар, басқаша айтқанда, қызыл ығысу әрі қарай біздің көзқарасымыз өте алмайтын космологаялық "көкжиек" тудырады. Сондықтан космологиялық көкжиектен әрі жатқан обьек-тілердің ізі бізге дейін жетпейді, ендеше түнгі аспанның қара болуында ешқандай проблема жоқ.

Бір қарағанда соншалықты қарапайым сұраққа жауап беру үшін біздің Әлем туралы қазіргі заманғы білімдеріміз қажет болды.

98

Әлемнің ортасы бар ма? Осы сұраққа да жауап беруге тырысайық. Бір қарағанда Хаббл заңы біздің дүниенің ұлғаюының орталығында тұрғанымызды айтатын сияқты және Әлемдегі барлық галактикалар бізден әрі қашықтайды, басқаша айтсақ, біз дүниенің ортасында тұрған тәріздіміз. Бірақ бұл сұраққа басқа да жауап бар. Басқа бір галактикадан қарағанда ғана Әлем барлық бағыттарда бірдей болып көрінеді (Фридманның Әлемнің біртектілігі туралы гипотезасы). Фридманның үлгісінде барлық галактикалар бір-бірі-нен қашықтайды. Шын мәнінде бұл Әлемнің біртұтас бүтін ретіндегі үлғаюының салдары. Осы маңызды сәтті анықтау үшін Әлемнің моделін кішкентай ауа шарымен салыстырайық. Үрілген шарға нүктелер (галактикалар) саламыз да, шарды үруді жалғастырамыз. Кез келген екі нүктенің арасындағы қашықтық үлкейе-ді, бірақ олардың бір де бірін үлғаюдың ортасы деп айтуға болмайды. Тағы да: нүктелер арасындағы қашықтық үлкейген сайын олар бір-бірінен жылдамырақ алыстай түседі. Сонымен, тағы да Фридманның үлгісі бізге қойылған сұраққа жауапты беріп отыр.

Космологиялық принцип орындалуға мүмкін болатын Фридманның әр түрлі үш үлгісі бар. Бірінші үлгіде Әлемнің түрлі галактикалар арасындағы гравитациялық тартылыс әсерінен ұлғаюы азайып, ақырында тоқтау үшін Әлем баяу ұлғаяды. Бұдан кейін әлем сығымдала бастайды. Басқа үлгілерде сығымдалу болмайды. Фридманның бірінші үлгісінде кеңістік Жердің беті тәріздес өзіне тұйықталып қисаяды. Сондықтан оның мөлшерлері шекті. Ал Әлем шексіз ұлғаятын екінші үлгіде кеңістік басқаша - ердің үсті тәріздес қисайған, бұл жағдайда кеңістік шексіз. Фридманның үшінші үлгісінде кеңістік жайдақ, ендеше мұнда да шексіз.

99

Фридман үлгілерінің қайсысы біздің Әлемге сәйкес келеді? Әлем ұлғаюын тоқтатып сығымдала бастай ма немесе мәңгі ұлғая бере ме? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін Әлемнің ұлғаюының қазіргі жылдамдығын және оның орташа тығыздығын білу керек.

Фридман үлгісінің нүсқауларының ортақтығы бар: өткен замандардағы белгілі бір сәтте (он-жиырма миллиард жыл бұрын) көршілес галактикалардың арасындағы қашықтық нөлге тең болуы керек. Бұл сәтте (Үлкен жарылыс деп аталатын) Әлемнің тығыз-дығы мен кеңістік-уақыттың қисықтығы шексіз болған болуы керек. Математиктер шексіз үлкен шамалармен шүғылдана алмайтындықтан, бұл салыстырмалықтың жалпы теориясына сәйкес Әлемде бұл теорияның өзін де қолдануға болмайтын нүкте болу керектігін білдіреді. Мұндай нүкте ерекше немесе сингулярлық деп аталады. Бұл нүктеде материяның шексіз тығыздығы мен кеңістік-уақыттың шексіз қисықтығынан біздің теорияларымыз дұрыс болмайды. Сондықтан, Үлкен жарылыстың алдында қайсыбір оқиғалар орын алса да, оларға қарап болашақты болжап білу мүмкін болмады. Демек, Үлкен жарылысқа дейін болған оқиғаларды үлгіден шығарып тастап, уақыт есептеудің басын Үлкен жарылыс сәті деп алу керек. Қазіргі заманғы концепциялар бойынша ғылым Әлемнің бос кеңістіктен пайда болу мүмкіншілігін растап отыр. Теориялық физикада бұл кеңістікті физикалық вакуум деп атайды. Физикалық вакуум - бұл атом құрылысындағы квантты өрістің энергиялық жағ-дайы, мысалы, ядро мен электрондық қабаттардың

100

арасындағы кеңістік. Физикалық вакуум, басқаша айтсақ, бұл дискретті бөлшектерді тудыра алатын материяның айрықша үзіліссіз өрістік өмір сүру түрі.

Қазіргі уақытта Үлкен Жарылыс теориясына негізделген Әлемнің үлгісін мына оқиғалар тізбегімен көрсетуге болады:

рыс болса, Әлемде Үлкен жарылыстың сангулярлық

101

нүктесі болуы мүмкін. Бірақ салыстырмалықтың жалпы теориясынан Әлемнің уақыт бастауы болу керектігі шыға ма? Бұл сұраққа жауапты 1965 жылы ағылшын математигі және физигі Роджер Пенроуз берді. Жұлдыз өзінің гравитациялық күштерінің әсерінен қысылғанда, ол беті нөлге дейін сығылатын аумақпен шектеледі, оның көлемі де осылайша өзгереді. Кеңістік-уақыт аума-ғында сингулярлық пайда болады, ол "қара тесік" деп аталатынын білесіздер. Стивен Хокинг мынаны байқады: егер Пенроуз теоремасывдағы уақыт бағытын керіге өзгертсе, сонда да бұл теорема дұрыс болады.