Глава семнадцатая АСТРОНОМИЯ И ФИЗИКА

Глава семнадцатая АСТРОНОМИЯ И ФИЗИКА

Объекты изучения и методы получения научной информации

Плодотворное, взаимостимулирующее и гармоничное взаимодействие таких важнейших наук, как математика, астрономия и физика, очевидно. Предметом математических исследований являются как сугубо математические проблемы, так и широчайший аспект математизации, математического описания процессов и состояний в других науках, таких как астрономия, физика, информатика, химия, филология, история и т. п. И уж совершенно ясно, что успех в астрономии немыслим без использования разнообразных математических методов. Очень легко показать, что почти все задачи астрономии имеют характер решения так называемых обратных задач в математике (см. главу четвёртую). В этом случае астрономы по наблюдаемым внешним проявлениям поведения небесных тел восстанавливают фундаментальные Законы Вселенной, например, так поступил Кеплер с законами движения планет Солнечной системы. Эти искомые законы могут относиться к различным областям знаний — небесной механике, физике, химии и т. д. Предметом поиска для астрономии являются всеобщие законы физики — законы движения тел, излучения небесных светил, звёзд, галактик, межзвёздной среды, туманностей и Вселенной в целом, законы их эволюции. Но ведь физики с полным основанием могут сказать, что и они изучают эти явления и объекты, и на этом основании могут считать астрономию частью физики, как это обычно делается в средних школах. Итак, объекты изучения астрофизики и физики совпадают. Отсюда и многочисленные споры, и плодотворное сотрудничество этих двух дисциплин, которые объективно не могут поделить предмет исследования.

Но есть ли принципиальная разница между астрономией и физикой? Искусственно можно разобщить эти дисциплины по методам добывания информации. В то время как астрофизики добывают новую информацию посредством астрономических наблюдений, физики получают её из лабораторных экспериментов. Это не означает, что астрофизики не создают себе физические лаборатории, где готовят астрономическую наблюдательную аппаратуру, калибруют и обрабатывают информацию. Физики же с большим успехом, начиная с середины прошлого века, осваивают новые спектральные окна в наблюдательной астрономии. Достаточно вспомнить мощный рывок радиофизиков в радиоастрономию. Не менее впечатляет создание физиками астрономической космической аппаратуры для исследования излучений в инфракрасном, рентгеновском и у-диапазонах.

А как делят теоретики астрофизики и теоретики физики область своих исследований? Да никак, эти области практически полностью совпадают. Однако астрофизики чаще используют наблюдательные, эмпирические данные, и поэтому их теоретические построения бывают более выигрышными по сравнению с построениями физиков-теоретиков. Физики-теоретики, зачастую пользующиеся абстрактными моделями астрофизических систем, часто находятся в плену умозрительных построений и пренебрегают наблюдательной информацией.

Взаимоотношения астрономов и физиков

История отношений между физикой и астрономией полна интересных событий и поучительных примеров.

Обычно у астрономов глубина знаний в этих двух фундаментальных науках в значительной степени колеблется. Однако великие умы как-то умудрялись не впадать в бесперспективную крайность, возвышая астрономию над физикой или, наоборот, физику над астрономией. С древних времён плодотворные мысли появлялись в головах тех исследователей, в ком гармонично сочетались эти области знаний.

Ведь невозможно определить, кем в большей степени были — математиками, физиками, астрономами или вообще философами — такие личности, как Пифагор, Аристотель, Птолемей, Евклид, Галилей и, наконец, Ньютон, Кеплер, Максвелл, Лоренц, Пуанкаре, Менделеев, Планк, Гейзенберг, Гамов или Амбарцумян.

Известен интересный поучительный факт из жизни Кеплера. Наряду с созданием фундаментальных законов движения планет Солнечной системы (законы Кеплера), он много лет с фантастическим упорством выяснял, казалось бы, пустяковый вопрос: почему снежинки бывают только шестиугольными? Это его сильно интриговало.

Конечно, очень интересно и даже таинственно, что снежинки не могут быть четырёхугольными, пятиугольными или семиугольными, а только шестиугольными, а ведь их образование, казалось бы, есть случайный свободный процесс замораживания атмосферной влаги.

Кеплер так глубоко и профессионально изучил причину образования снежинок и обнаружил такие закономерности в их шестиугольности, что его размышления и разъяснения легли в основу теории современной кристаллографии. Завидный пример для любого исследователя.

После революции в естествознании, связанной с великими именами Коперника, Кеплера, Галилея и Ньютона, стало ясно, что астрономия и физика — это одна наука о природе и что одни и те же законы управляют движением и небесных, и земных тел. Законы физики выводились и проверялись на астрономических явлениях.

В дальнейшем, однако, бурное развитие и дифференциация наук о природе постепенно привели к всё более растущему обособлению физики от астрономии.

Сейчас почти во всех разделах науки происходит сужение области исследований. Причиной является необходимость более глубокого изучения отдельных её областей. Но часто это приводит к тому, что даже учёные одной и той же специальности редко понимают результаты своих коллег и редко могут их оценить.

Иногда дело доходит до того, что, например, число математиков, работающих над одной и той же проблемой и понимающих друг друга, не превышает десятка человек.

Об отношениях астрономов и физиков много писал И. С. Шкловский. Он хорошо знал и тех и других. Сам он окончил физический факультет и был хорошим астрофизиком.

Попробую пересказать его отношение к физикам и астрономам своими словами.

В XX веке у физиков как-то постепенно, исподволь, росло пренебрежение к астрономии, сопровождаемое недооценкой роли астрономии в общей системе физического знания. Закономерным следствием этого нездорового процесса явилось прогрессивно растущее невежество в области астрономии среди подавляющего большинства физиков. На физических факультетах университетов преподаванию астрономии уделялось всё меньше и меньше внимания. Так выросло поколение физиков, имеющее об астрономии самое поверхностное представление.

Ещё хуже обстояло дело с астрономами. Астрономы с трудом усваивали «новинки» теоретической физики, методы физического эксперимента, оптики, электроники и радиофизики, которые решительно и властно вторгались в практику астрономических исследований. Астрономия стремительными темпами становилась «всеволновой», от регистрации у-квантов, рентгеновского и ультрафиолетового излучения до инфракрасного и радиоизлучения небесных объектов. А ведь основой основ этих новых методов была физика.

Образовался даже непростительный разрыв между астрономами-наблюдателями и астрономами-теоретиками, интерпретаторами астрономических наблюдений.

В пятидесятых годах прошлого столетия произошло гипертрофированное развитие релятивистской астрофизики, основывающейся на общей теории относительности. Возглавил релятивистов в Советском Союзе физик, академик Яков Борисович Зельдович, покинувший поприще атомных проектов в Арзамасе-16. Зельдович стал работать в Институте прикладной математики, руководимом президентом АН СССР, академиком Мстиславом Всеволодовичем Келдышем.

Зельдович считал релятивистскую астрофизику самой передовой областью теоретической физики, призванной научить уму-разуму традиционных, по его мнению, «отсталых и полуграмотных» астрономов, и его харизматическая натура рвалась в лидеры.

И. С. Шкловский в своей книге «Эшелон» весьма остро описывает эти события. Вот что он пишет:

«В то время пышным цветом расцвела релятивистская астрофизика — "детище" академика Я. Б. Зельдовича, привыкшего к "средмашевским"[199] масштабам. Каждый четверг заседал их семинар — "театр одного актёра" Рашида Сюняева, которому благоволит сам Яков Борисович».

И ещё, продолжает Шкловский: «…гипертрофированное развитие одного органа, в ущерб другим — верный признак тяжёлой болезни. Студенты быстро поняли, что попасть в орбиту релятивистской астрофизики — верный способ в "домашних условиях" и с гарантией защитить в срок диссертацию. А эксперимент и наблюдения — дело хлопотное и при нашем бардаке весьма ненадёжное. Что и говорить — нынешняя молодежь всё это "просекает" мгновенно!

В результате вот уже 10 лет идёт процесс "отсоса" всего способного и толкового в релятивистскую астрофизику — бесконтрольное размножение никому не нужных, хотя и вполне квалифицированных теоретиков.

Всё это похоже на ненормальное развитие, аналогичное раковой болезни, возникающей от бесконтрольного размножения патологических клеток. С точки зрения каждой такой клетки, всё обстоит прекрасно, но вот организм почему-то гибнет».

Общее впечатление, которое оставляют работы этих физиков, примерно таково: происходит многократное раскладывание «пасьянсов» из невероятных и неправдоподобных значений начальных и граничных условий для абстрактно поставленных теоретических моделей. При этом, не заботясь о реальности входящих в задачу величин, они получают ответы на «животрепещущие» вопросы. Например: пусть начальная энтропия нулевая или бесконечно большая, допустим, что вещество состоит на 99 процентов из нейтронов, а лептонные заряды равны нулю или пусть плотность излучения во много раз выше плотности барионов и т. д., после чего вычисляют, пойдут или не пойдут те или иные термоядерные реакции. Хотя давно известно, что термоядерными реакциями невозможно объяснить зарегистрированное сверхмощное излучение многих астрономических объектов, тем более их гигантских взрывов.

Амбарцумян в статье «Некоторые особенности современного развития астрофизики» пишет, сравнивая методы познания астрономии и физики:

«Сегодня астрономия не только принадлежит к числу наиболее быстро развивающихся дисциплин, но и открывает новые пути перед другой важнейшей областью современной науки — физикой. Астрономия, как и в прежние времена, продолжает оставаться, главным образом, наблюдательной наукой. Терпеливое собирание фактов, постоянное стремление к точности наблюдений, если необходимо, многократное повторение однотипных наблюдений — всё это остаётся незыблемой традицией астрономов. Остановимся особенно на вопросе взаимной связи теоретических и наблюдательных работ, а также на некоторых чертах, отличающих астрофизику от других разделов физических наук. Столкнувшись с новым явлением, сущность которого им ещё не понятна, физик обычно повторяет свой опыт для того, чтобы установить зависимость явления от изменения условий, в которых поставлен эксперимент. Он не только старается хорошо знать физические условия, в которых происходят явления, но имеет возможность управлять ими и их изменять. Совершенно иначе дело обстоит в астрофизике. Пронаблюдав один раз необычное явление, мы не в силах ни управлять внешними условиями, в которых оно произошло, ни повторить его по нашему желанию. Мы иногда даже не имеем представления о тех условиях и внешних обстоятельствах, в которых замеченное нами явление произошло.

Физик, наблюдая новое явление, ставит сразу перед собой или перед физиками-теоретиками вопрос о его причинах. Астрофизик же, ставя такой вопрос, часто оказывается в положении слишком торопящегося человека, ибо прежде чем объяснить причину нового явления, нужно понять, что и в каких условиях произошло. Чтобы быть конкретнее, приведём один пример.

Уже в прошлом столетии астрономы проявили большой интерес к вспышкам новых звёзд. К концу его было выяснено, что возникающая вспышка происходит не на пустом месте неба, а связана с возгоранием какой-то уже существовавшей до этого слабой звезды. Астрофизики получили в своё распоряжение первые кривые изменения блеска новой звезды, характеризующейся тем, что увеличение блеска происходит неожиданно и продолжается короткое время — два, три дня, затем наступает всё более замедляющееся его падение, и через два-три года или более звезда возвращается к своему прежнему состоянию, которое было до вспышки.

Была высказана с сегодняшней точки зрения совершенно наивная гипотеза, согласно которой вспышка новой звезды вызвана столкновением двух звёзд. Гипотеза о столкновениях, как о причине вспышек новых звёзд, была очень давно отвергнута.

Постепенное накопление наблюдательных данных о вспышках новых звёзд в первой половине двадцатого столетия, особенно накопление спектроскопических наблюдений, позволило построить приближённую картину явления. Оказалось, что в звезде происходит быстрое, почти мгновенное выделение энергии, взрыв. В результате вещество внешних слоев звезды выбрасывается в окружающее пространство, и вокруг неё возникает газообразная оболочка, которая расширяется со скоростью порядка тысячи километров в секунду. С течением времени вещество оболочки образует вокруг первоначальной звезды туманность, которая продолжает расширяться и рассеиваться. Сама же звезда приходит в стационарное состояние, более или менее близкое к первоначальному. Сказанное не является объяснением причины вспышки. Это только внешнее описание явления.

Таким образом, многолетние труды астрономов, как наблюдателей, так и теоретиков, дали возможность понять, что происходит во время вспышки. Но у нас нет теории, объясняющей причину взрыва. Несомненно, она будет создана в ближайшее время.

Такая последовательность в изучении явления очень характерна для многих астрофизических проблем. Она состоит из трёх этапов: наблюдения, выяснения того, что происходит в наблюдаемом объекте, и, наконец, теоретического объяснения причин явления.

В случае вспышки Новых звёзд вначале была сделана попытка перескочить через второй этап, не разобравшись в том, что же происходит во время вспышек, понять их причины. На этом же примере видно, что второй этап требует иногда длительного изучения, продолжающегося десятилетия.

Называя кратко этот второй, существенный этап интерпретацией явлений, мы приходим к тому, что исследование астрофизических процессов состоит из наблюдений, их интерпретации и теоретического объяснения. Последнее включает в себя вскрытие причин явления».

Примерно по такому же пути («перескок» через второй этап) прошёл процесс познания радиогалактик в 1952 году со стороны Бааде и Минковского, пока не выяснилась роль активности ядер галактик.

Далее Амбарцумян пишет:

«В отдельных случаях приёмы астрономов очень похожи на приёмы, применяемые в физике. В качестве примера приведём замечательные работы академика Г. А. Шайна, относящиеся к проблемам эмиссионных линий в спектрах холодных гигантов. До работ Шайна было известно, что эмиссионные линии возникают в пространстве, окружающем звезду, иногда на значительном расстоянии от её поверхности. Что касается эмиссионных линий в спектрах холодных гигантов, то здесь вопрос оставался невыясненным. Вскоре Шайн пришёл к выводу, что чем сильнее поглощение в полосах окиси титана, тем сильнее проявляется замеченная аномалия. Это заставило его заподозрить, что окись титана поглощает кванты, испускаемые водородными атомами. Возникло очень смелое для того времени предположение, что эффективный слой, дающий эмиссию, расположен ниже слоя, где находятся поглощающие молекулы окиси титана. Однако эта гипотеза требовала доказательств. И Шайн её доказал, изучив спектры переменных красных гигантов, в спектрах которых нет полос окиси титана. Нам, современникам, почти казалось, что работа проведена в лаборатории, где исследователь по своему желанию меняет условие опыта.

Подчёркивая значение и огромную ценность наблюдательной работы, не следует забывать, что при решении многих вопросов теория играет не вспомогательную, а основную роль».

Теоретическая астрофизика — величайшая наука. Её основоположником в Советском Союзе был Виктор Амазаспович, который не имеет себе равных по количеству решённых фундаментальных задач в этой области. Однако теоретическая астрофизика даёт бесценные, научные плоды только тогда, когда ею пользуются астрофизики и физики, хорошо разбирающиеся в астрономических наблюдательных данных.

Раскрытие сложнейших тайн Вселенной возможно лишь в результате совместных усилий астрономии и физики.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.