Вселенная, весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. В. существует объективно, независимо от сознания человека, её познающего. В. содержит гигантское множество небесных тел, многие из которых по размерам превосходят Землю иногда во много миллионов раз. Всякое подлинно научное исследование признаёт объективное существование, материальность В.
Материализм считает, что различные явления, происходящие в мире, взаимосвязаны и обусловлены. Они развиваются в пространстве и времени. Изучение закономерностей, которым подчиняются эти связи, является основной задачей естествознания. В противоположность философскому идеализму, утверждающему, что пространство и время являются не объективной реальностью, а формами человеческого созерцания, материализм признаёт объективную реальность пространства и времени. Поэтому пространство и время также подвергаются изучению со стороны естествознания.
Распределение материи по В. в пространстве и времени, различные небесные тела и системы тел, из которых состоит В., являются предметом изучения ряда разделов астрономии. Астрономия выясняет строение всей той части В., которая в данный момент доступна для исследования. Суждения о В. в целом, основанные на всех научных знаниях, составляют задачу космологии.
Развитие взглядов на строение Вселенной. На каждом этапе развития общества человечеству было известно строение лишь некоторой ограниченной части В. С усовершенствованием методов научных исследований и астрономических инструментов всё более расширяется доступный для изучения объём В. Само исследование становится всё более глубоким, и наши знания всё точнее отражают строение и развитие изучаемой области В. История познания В. является одной из наиболее блестящих иллюстраций ленинской теории познания, согласно которой «... Человеческое мышление по природе своей способно давать и дает нам абсолютную истину, которая складывается из суммы относительных истин» (Ленин В. И., Полн. собр. соч., 5 изд., т. 18, с. 137). На первых ступенях развития культуры представления о В. ограничивались знанием ближайших к жилью человека рек, гор, лесов и наиболее заметных небесных светил. В дальнейшем эти знания стали распространяться на значительные области поверхности Земли; следующим этапом было установление шарообразности Земли и относительной удалённости небесных светил.
Переворот, совершенный в науке Н. Коперником, уже в 16 в. привёл к тому, что область В., строение которой было в основном правильно понято и которая подверглась дальнейшему изучению, достигла размеров всей Солнечной системы. Стало ясно также, что звёзды находятся от нас на расстояниях, во много раз превышающих расстояния до планет. Но в тот период ещё не удалось измерить расстояния даже до ближайших звёзд, Астрономия 17—18 вв. была в основном астрономией планетной системы, т. е. была ограничена окрестностями одной звезды — Солнца. Диаметр этой системы, составляющий около 10 млрд. км, свет проходит за 10 часов. Точные определения расстояний до ближайших к нам звёзд, впервые произведённые в конце 30-х гг. 19 в. В. Я. Струве в России, а также Ф. Бесселем в Германии и Т. Гендерсоном в Южной Африке, и статистические исследования Струве, основанные на подсчётах звёзд, открыли новую страницу в изучении В. Границы той части В., которая стала подробно изучаться, раздвинулись до расстояний, проходимых светом за сотни и тысячи лет. Началась огромная работа по изучению Галактики, т. е. той звёздной системы, в которую в качестве одного из членов входит Солнце. Только в 30-х гг. 20 в. удалось с достоверностью установить размеры и основные черты строения Галактики, поперечник которой оказался равным около 30 тыс. парсек (около 100 тыс. световых лет), Однако многие важные особенности и детали строения Галактики остаются еще не изученными, и интенсивное исследование их продолжается.
В 20-х гг. 20 в. была выяснена внегалактическая природа спиральных и эллиптических туманностей, оказавшихся самостоятельными галактиками, т. е. системами того же порядка, что и наша Галактика. Это позволило поставить вопрос об устройстве Метагалактики как космической системы более высокого порядка, в которую наша Галактика и её соседи входят в качестве отдельных членов. Современные астрономические инструменты не позволяют достичь пределов Метагалактики, и с достоверностью неизвестно, существуют ли границы у этой системы. Однако инструменты позволяют наблюдать отдалённые члены Метагалактики, находящейся от нас на расстояниях порядка нескольких миллиардов парсек. На ещё более далёких расстояниях могут наблюдаться квазары — открытый в 1963 новый вид космических объектов. Исключительно большая светимость многих квазаров, являющихся, в отличие от галактик, компактными телами, позволяет обнаруживать их на гораздо больших расстояниях, чем самые большие галактики.
Ограниченность изученной части В. никоим образом не противоречит идее о пространственной бесконечности В. Однако сама постановка вопроса о пространственной конечности или бесконечности В. была связана с классическими представлениями об абсолютном пространстве и об абсолютном времени. Согласно же представлениям современной физики, пространственный объём, занимаемый любой реальной или воображаемой системой, неодинаков для наблюдателей, движущихся по-разному относительно этой системы. Наряду с расширением границ доступной для наших исследований части В. происходит более детальное и более глубокое изучение относительно близких к нам её областей: уже известно много деталей строения и свойств ближайших к нам галактик и скоплений галактик. Развитие знаний происходит одновременно и вширь, и вглубь. История науки показывает, что ни пространственная отдалённость тех или иных частей В., ни сложный характер причин, лежащих в основе различных явлений во В., не могут исключить возможность их познания. Материалистическая наука, в частности астрономия, убедительно опровергает выводы агностицизма, распространённого в буржуазной философии.
Имеет распространение ряд различных теорий строения В. в целом, основывающихся на предположении, что наблюдаемые свойства той части Метагалактики, в которой находится наша Галактика, имеют место повсюду во В., что экстраполированная таким образом Метагалактика исчерпывает всю В. в целом. Такие упрощённые схемы могут представлять ценность для многих конкретных работ, целью которых является изучение свойств больших объёмов В. Но при этом не следует забывать об условности сделанных предположений. По существу при решении многих простых задач звёздной астрономии также удобно принимать, что Галактика простирается бесконечно далеко. При таком допущении можно получить, например, первые теоретические представления о распределении звёзд по видимым звёздным величинам или определить закономерности флуктуаций яркости Млечного Пути. Однако, допуская бесконечность Галактики при решении конкретной задачи, исследователь понимает условность такого допущения. Точно так же упомянутые выше теоретические схемы, основанные на упрощённых предположениях и служащие для частных исследований, нельзя рассматривать как теории В. в целом. Иногда они являются лишь полезными рабочими схемами. Распространение на всю В. свойств той её части, которая нами в той или иной степени изучена, противоречит всему имеющемуся опыту исследования В. Известно, что появление новых технических средств наблюдения, позволяющих существенно расширить пределы доступной наблюдениям области В., влечёт каждый раз за собой открытие качественно новых структурных особенностей. Так, в строении Галактики были обнаружены большие отличия от строения Солнечной системы. Несходство этих систем не ограничивается разными размерами или количествами тел, их составляющих: более существенной является качественная разница в характере подчинения и соподчинения членов внутри каждой из этих систем. В то время как Солнце содержит в себе подавляющую часть массы всей Солнечной системы, в результате чего движения планет определяются в основном его полем тяготения, основная часть массы Галактики распределена среди десятков миллиардов звёзд, и гравитационное поле определяется прежде всего действием всей этой совокупности звёзд. Такое же качественное различие структур обнаруживается при переходе от Галактики к Метагалактике.
Поскольку в иерархии изученных космических систем самое высшее положение занимает Метагалактика, то, говоря о наиболее общих или наиболее крупномасштабных свойствах В., имеют в виду именно свойства и явления Метагалактики. К 70-м гг. 20 в. коллективным трудом астрономов разных стран установлены следующие важные свойства Метагалактики. 1) Галактики в ней не распределены равномерно: подавляющее большинство их сосредоточено в скоплениях и группах галактик. Наша Галактика входит в относительно бедную по числу членов Местную группу галактик. 2) Имеет место закон взаимного удаления галактик со скоростями, приблизительно пропорциональными их взаимным расстояниям (закон Хаббла). Так, галактики, находящиеся друг от друга на расстоянии в десять миллионов парсек, удаляются друг от друга со скоростями около 600 км/сек. Это расширение в соответствии с принципом Доплера вызывает наблюдаемое красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Всё это грандиозное явление часто называют расширением Вселенной. 3) В диапазоне миллиметровых радиоволн наша часть В. равномерно заполнена радиоизлучением, плотность которого соответствует излучению абсолютного чёрного тела с температурой ЗК. Это излучение называют реликтовым, так как предполагается, что оно представляет собой остаток излучательных процессов, имевших место в очень отдалённую прошлую эпоху, связанную с началом существования Метагалактики, Указанные три факта лежат в основе многочисленных современных космологических схем. Однако несомненно, будущая космология, наряду с этими основными фактами, должна учитывать и много других, более тонких явлений и обстоятельств.
Структурные особенности Вселенной. До середины 20 в. было принято считать, что подавляющая часть вещества доступной для наших наблюдений части В. сосредоточена в звёздах и только небольшая его доля составляет межзвёздное вещество, планеты, кометы. Однако после установления роли ядер галактик как активных центров галактик и открытия квазаров стало ясно, что во В. существуют тела с массами, превышающими звёздные массы по меньшей мере в миллионы раз и более. Трудно оценить суммарную массу этих звёздообразных тел в единице объёма и сравнить её с массой звёзд. Тем не менее нет сомнений, что эти массы играют огромную роль в процессе развития В. Известно, что квазары наиболее высоких светимостей являются по меньшей мере в сотни раз более мощными генераторами лучистой энергии, чем совокупность звёзд самых массивных отдельных галактик. Существенно, однако, что звёзды вместе с межзвёздным веществом и разными мелкими телами образуют звёздные системы, наблюдаемые нами в виде галактик. Утверждение, согласно которому подавляющая часть вещества В. сосредоточена в галактиках, является, по-видимому, довольно точным описанием реальной картины, особенно если принять во внимание, что квазары можно считать предельным случаем галактик с очень яркими ядрами и относительно бедным звёздным населением и что нам известны уже многие объекты, которые по своим свойствам являются промежуточными между квазарами и галактиками классических типов.
Однако галактики являются далеко не самыми крупными структурными единицами наблюдаемой В. Они сосредоточены в скоплениях и группах галактик; изолированные галактики встречаются редко. Тенденция галактик к скучиванию является одним из важнейших структурных свойств В. Ряд исследований позволяет полагать, что существуют системы более высокого порядка, чем скопления и группы галактик: скопления скоплений или сверхскопления галактик. Согласно этим исследованиям, Местная система галактик (включающая нашу Галактику) вместе с обильным галактическим скоплением в созвездии Девы и некоторыми более близкими группами входит в одно из таких сверхскоплений. Изучение сверхскоплений галактик сильно затруднено вследствие того, что отдельные сверхскопления проектируются на небе друг на друга и разделение их часто не может быть выполнено с достаточной чёткостью. Тем более трудно ответить на вопрос о существовании системы ещё более высокого порядка, чем сверхскопления. Нет оснований утверждать, что сверхскопления распределены во В. равномерно, тем более что наблюдательные данные всегда свидетельствовали о существовании неоднородностей всё больших и больших масштабов. Неоднородность и тенденция к скучиванию являются очень характерными чертами доступной исследованиям части В.
Звёзды и межзвёздное вещество состоят из ионизованных газов; это позволяет сделать заключение, что основной физической формой вещества во В. является не твёрдое тело, не жидкость, не нейтральный газ, а плазма, состоящая из ионов и электронов. Однако открытие пульсаров дало первые наблюдательные свидетельства в пользу существования сверхплотных тел, состоящих в основном из вырожденного барионного газа.
Красное смещение. Закон Хаббла, утверждающий пропорциональность красного смещения спектральных линий (а следовательно, и скоростей удаления внегалактических объектов) расстояниям до них, справедлив лишь для скоростей, малых по сравнению со скоростью света. Внегалактические объекты, удалённые на расстояния более двух миллиардов парсек, также обнаруживают скорости удаления, продолжающие возрастать с увеличением расстояний, но закон простой пропорциональности уже нарушается. Скорости удаления по лучу зрения самых отдалённых галактик, для которых на основе принципа Доплера определены лучевые скорости, близки к половине скорости света. Благодаря большой светимости, квазары могут относительно легко наблюдаться на расстояниях, превосходящих 2 млрд. парсек. Уже зарегистрированы квазизвёздные объекты, у которых смещение линий к красному концу настолько велико, что длины волн их излучения увеличены по сравнению с лабораторными значениями в три и даже почти в четыре раза. Все попытки объяснить красное смещение в спектрах галактик недоплеровскими причинами остались безрезультатными. В настоящее время (70-е гг. 20 в.) аналогичные попытки предпринимаются в отношении красного смещения в спектрах квазаров. Однако анализ полученных результатов показывает, что и эти попытки являются безнадёжными. Более того, тот факт, что красное смещение равно наблюдается у галактик, квазаров и у объектов промежуточных типов (например, N-галактик), убеждает в том, что красное смещение представляет собой проявление крупномасштабных геометрических и кинематических свойств пространства — времени, мало зависящих от физических свойств самих излучающих объектов и в известной степени независимых и от эволюции этих объектов.
Таким образом, наблюдения подтверждают общие основы истолкования красного смещения, которое даётся релятивистской космологией. Однако вопрос о конкретных релятивистских моделях Метагалактики остаётся пока ещё предметом дискуссий.
Возрастные характеристики Вселенной. Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих В., позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчётов. В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно понимать под «моментом рождения» тела или системы, то, устанавливая возрастные характеристики, имеют в виду две, вообще говоря, различные количественные оценки: 1) время, в течение которого система уже находится в наблюдаемом состоянии (или в состояниях, близких к наблюдаемому в настоящую эпоху); 2) полное время жизни данной системы от момента её появления до разрушения. Очевидно, что эта вторая характеристика, как правило, может быть получена только на основе теоретических расчётов. Обычно первую из указанных величин называют возрастом, а вторую — временем жизни.
Факт взаимного удаления галактик, составляющих Метагалактику, свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла (коэффициента пропорциональности в зависимости, связывающей скорости удаления внегалактических объектов и расстояния до них), составляющее 60 км/(сек·мегапарсек), приводит к значению времени расширения Метагалактики до современного состояния, равному примерно 17 млрд. лет. Такова оценка возраста наиболее крупной системы. Представляется очень естественным, что возраст галактик и отдельных звёзд меньше этой цифры.
Наличие неоднородностей в составе многих галактик свидетельствует о том, что они, несмотря на эффект дифференциального вращения, не достигли полного перемешивания звёзд. Это означает, что каждая галактика совершила не более нескольких десятков оборотов вокруг своей оси. Время одного оборота нашей Галактики вокруг своей оси составляет около 200 млн. лет, у других галактик времена оборота имеют примерно ту же величину. Таким образом, средний возраст галактик оценивается в 10 млрд. лет. Это не означает, конечно, что отдельные галактики или даже группы галактик не могут быть гораздо моложе. Но, вероятно, нет галактик, возраст которых существенно превышает 20 млрд. лет.
Согласно данным внегалактической астрономии, некоторые скопления и группы галактик имеют столь большую дисперсию скоростей своих членов, что силы взаимного притяжения галактик-членов не могут удержать их в скоплениях, такие скопления должны распасться. Период, необходимый для распада, оценивается в большинстве случаев в 1—2 млрд. лет. Однако имеются группы галактик, которые распадутся в более короткие сроки — через 200—500 млн. лет. Так как современная звёздная динамика отвергает возможность формирования скоплений и групп из ранее независимых галактик, приходится допустить, что эти цифры определяют в таких случаях и возраст членов этих групп. Это означает, что среди галактик встречаются иногда очень молодые (по сравнению со средним возрастом) объекты, т. е. что процесс возникновения новых галактик продолжается и на современном этапе развития Метагалактики.
Существующие методы определения возрастных характеристик галактик и скоплений галактик позволяют оценивать продолжительность жизни. Но так как возраст всегда меньше продолжительности жизни, то таким образом получают и значения верхней границы для возраста. Поскольку верхние границы оказываются всегда ниже указанного возраста Метагалактики, то можно утверждать, что возрастные характеристики отдельных членов Метагалактики не противоречат имеющейся оценке её возраста.
Возраст Метагалактики иногда принимают за возраст В., что характерно для сторонников отождествления Метагалактики со В. в целом. Действительно, гипотеза о существовании во В. многих метагалактик, расположенных просто на некоторых расстояниях друг от друга, не находит никаких подтверждений. Однако следует принимать во внимание возможность более сложных соотношений между Метагалактикой и В. в целом и даже между отдельными метагалактиками: в столь больших объёмах пространства принципы евклидовой геометрии оказываются уже неприменимыми. Эти соотношения могут быть сложны и в топологическом отношении. Нельзя исключать и возможность того, что каждая заряженная элементарная частица может быть эквивалентна целой системе галактик, т. е. состоять из такой системы. Возможности таких, более сложных соотношений должны также учитываться космологией. Поэтому ещё преждевременно говорить, что имеются какие-либо данные о возрасте В. в целом.
Для изучения прошлого В. появились новые возможности после открытия квазаров и других квазизвёздных источников. Наиболее удалённые квазары наблюдаются в далёких областях Метагалактики, свет от которых доходит до нас за время около 10 млрд. лет. Таким образом, наблюдая эти космические объекты, можно судить о состоянии упомянутых областей Метагалактики в весьма отдалённом прошлом. Анализ результатов наблюдений указывает на то, что состояние в этих областях Метагалактики в отдалённом прошлом сильно отличалось от состояния, наблюдаемого в современную эпоху вблизи нашей Галактики. Правда, полученных статистических данных ещё недостаточно, чтобы однозначно интерпретировать результаты наблюдений. Можно считать, что в прошлом средняя радиосветимость квазаров была выше современной. Не исключена возможность и того, что в отдалённом прошлом была выше плотность пространственной концентрации квазаров. Однако можно считать доказанным, что Метагалактика действительно эволюционирует, и так называемая «теория стационарной Вселенной» уже почти не находит сторонников.
Жизнь во Вселенной. Поскольку гигантские галактики содержат более 100 млрд. звёзд каждая и поскольку их число в Метагалактике не менее 100 миллионов, то общее число звёзд во В., очевидно, превосходит 1019. Поэтому естественно возникает вопрос о частоте встречаемости органической жизни на планетах, существование которых вокруг этих звёзд считается очень вероятным.
Очевидно, что известные на Земле формы жизни не могут существовать при всех возможных физических условиях на планетах. Таких форм нет на Луне и, вероятно, не окажется на Сатурне или Уране. К сожалению, биологии не удалось выяснить предельные значения параметров физических условий на планетах, допускающих существование земных форм жизни. Эти пределы накладывают ограничения на температуру, значения плотности атмосферы, ускорения силы тяжести, продолжительность суток и состав атмосферы. Должно играть некоторую роль и наличие жидких бассейнов. Тем не менее трудно себе представить, чтобы эти пределы оказались настолько узкими, чтобы лишь ничтожная часть планет им удовлетворяла. Поэтому в высшей степени вероятно, что в Метагалактике существуют миллиарды планет, на которых имеются более или менее подходящие условия для возникновения органической жизни. Естественно, что возможность появления разумных существ как высшего этапа процесса биологического развития связана с более строгими ограничениями, накладываемыми на диапазон, постоянство и длительность сохранения определённых физических условий. Поэтому вполне возможно, что внеземные цивилизации встречаются весьма редко. Однако и в этой проблеме дальше некоторых догадок пока продвинуться не удалось.
Наконец, возможна и более широкая постановка вопроса. Можно, не ограничиваясь известными на Земле формами жизни, изучать в общем виде возможность существования систем, воспринимающих, хранящих и перерабатывающих информацию, начиная от самых элементарных до наиболее сложных. Несомненно, более широкий класс планет может оказаться пригодным для развития на них подобных систем, если действительно известные нам формы жизни являются не единственными.
Однако глубокое изучение этого вопроса станет возможным только в результате дальнейших успехов современной биологии.
Человек и Вселенная . Использование орудий труда позволило человеку стать хозяином Земли. Появление орудий умственного труда и развитие техники вообще позволило ему выйти за пределы земного шара и овладеть ближайшим космическим пространством. В будущем человек посетит все планеты и проникнет даже за пределы Солнечной системы. Техника позволила человеку приступить к переделке природы Земли. Построены каналы, созданы новые моря, пробиты в горах огромные туннели, в пустынях возникают сады. Правда, к сожалению, наблюдаются и отрицательные явления: погибают отдельные виды животного мира, загрязняется атмосфера. Но в целом преобразования происходят в соответствии с потребностями человеческого общества. Нет сомнений, что с течением времени человек начнёт переделывать В. Создание новых небесных тел — искусственных спутников является лишь первыми шагами в этом направлении. Выход нашей цивилизации за пределы Земли является важнейшим итогом развития 50-х и 60-х гг. 20 в. Нет сомнения, что продолжение деятельности человечества в этом направлении окажет огромное влияние на дальнейший прогресс человеческого общества.
Лит.: Воронцов-Вельяминов Б. А., Очерки о Вселенной, 6 изд., М., 1969; Шкловский И. С., Вселенная , жизнь, разум, 2 изд., М., 1965; Агекян Т. А., Звезды, галактики, метагалактика, М., 1966; Амбарцумян В. А., Проблемы эволюции Вселенной. Сб., Ер., 1968; Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Релятивистская астрофизика, М., 1967; Бербидж Дж., Бербидж М., Квазары, пер. с англ., М., 1969; Хойл Ф., Галактики, ядра и квазары, пер. с англ., М., 1968.
В. А. Амбарцумян.
Красное смещение в спектрах галактик.
Спиральная галактика в созвездии Гончих Псов, соединённая со своим спутником.
Часть Млечного Пути в созвездиях Орла и Лебедя. Видны тёмные и светлые участки («туманности» и «облака»).
Галактика в созвездии Андромеды.
Спиральная галактика в созвездии Треугольника.
Галактика в созвездии Волос Вероники.
Спектры сейфертовских галактик, открытых на Бюраканской обсерватории: Маркарян 9 (слева) и Маркарян 10 (справа). Широкие диффузные полосы Hb, Hg, Hd, принадлежащие водороду, свидетельствуют об истечении газа из ядер галактик с большими скоростями.
Неправильная галактика типа Магеллановых Облаков NGC 4449.
Пара взаимодействующих галактик с перемычкой.
Галактика NGC4303. В центре хорошо видно почти звездообразное ядро.
Далёкие скопления галактик в созвездии Северной Короны.
Галактика М 82 (фотография в голубых лучах). Тёмные пятна, полосы и прожилки вызваны поглощающей пылевой материей. Ядро галактики не выделяется.