 |
Астронет: М. Е. Набоков Методика преподавания астрономии http://variable-stars.ru/db/msg/1174656/chapter6-23.html |
| << Предыдущая |
§ 62. Космогония и её история.
Изложение космогонических гипотез завершает преподавание астрономии. На основе предыдущего изложения оно должно дать учащимся убеждение в том, что во вселенной непрерывно и вечно происходит образование, развитие и разрушение отдельных небесных тел, что открытые нами законы природы и знание небесных тел в их настоящем состоянии дают возможность науке с большей или меньшей точностью установить и пути возникновения и развития небесных тел.
Изложение космогонии следует вести, исходя из основных положений диалектического материализма, приводя достаточно твердо установленные частные теории и подчёркивая при этом всё возрастающее число вновь открываемых факторов, влияющих на процесс развития небесных тел. Ни в коем случае не следует скрывать текущих трудностей космогонии: надо пояснить учащимся всю сложность и многообразие факторов, учёт которых необходим для создания космогонической теории, следует также указать и на то, что эти факторы переплетаются между собой и влияют друг на друга. Нужно, чтобы учащиеся прониклись чувством удовлетворения и уважения к науке, сумевшей в такой сложной и трудной проблеме уже найти некоторые бесспорные решения и не перестающей совершенствовать свои методы.
Надо также указать, что знание строения материи (атома) помогает разбираться в вопросах излучения энергии (звёзды и Солнце) и в продолжительности существования отдельных небесных тел.
Чтобы суметь методически правильно построить изложение космогонии, учитель должен прежде всего кратко ознакомиться с историей развития космогонических гипотез и обстоятельно - с текущим состоянием её по книгам и журнальным статьям.
Совершенно естественно, что новые гипотезы или методы решения тех или иных научных проблем входят в книги с некоторым опозданием, в научно-популярных журналах они печатаются раньше, в научных же журналах они появляются впервые. Независимо от того, будет ли рассказано учителем о ник на уроке или нет, сам учитель должен их знать, так как в своём изложении он может в одной иногда фразе показать новую мысль о решении проблемы и тем самым удовлетворит законный интерес молодёжи к вопросам современности и к решению их в нашей стране.
Знание современного состояния космогонии и знакомство с историей её, с результатами и методами прежних стихийных материалистов, как зарубежных, так и отечественных, весьма существенно для учителя. Только на основании такого знакомства учитель сможет сжато, но ясно разъяснить учащимся развитие взглядов на происхождение небесных тел, убедить их в безусловной познаваемости процесса развития вселенной и этим объяснением способствовать основной задаче нашей школы - воспитанию молодёжи в духе диалектико-материалистического мышления.
Подготавливаясь к уроку по космогонии, учитель должен обратиться к теории познания диалектико-материалистической философии и с этой точки зрения изучить ход развития и совершенствования космогонических гипотез, являющихся, как говорил Энгельс, формой развития естествознания.
Нет необходимости описывать здесь всю историю космогонических гипотез, с которой читатели могут ознакомиться по курсам астрономии для высших учебных заведений и по другим изданиям. Основная задача настоящей книги - методика изложения, и поэтому полезно обратить внимание на некоторые основные направления космогонических исканий и учёт фактов и причинных связей: факт, что общая масса всех планет в 700 раз меньше Солнца, привёл естествоиспытателя Бюффона в 1745 г. к предположению, что планеты получились вследствие косого удара кометы в Солнце. Гипотеза характерна тем, что она пытается объяснить происхождение планет случайностью - эта гипотеза катастрофическая. Тем не менее церковь ополчилась против Бюффона и заставила его отречься от неё (в 1757 г.).
В 1755 г. учитель гимназии И. Кант, ставший позже философом-идеалистом, анонимно опубликовал "Всеобщую естественную историю и теорию неба". Его гипотеза исходила из того, что вначале материя существовала в виде хаоса. В гипотезе Канта впервые введено действие закона тяготения и вытекающая отсюда естественность происхождения планет, ненужность "первого толчка". Поэтому гипотеза Канта по справедливости считается первой естественной гипотезой, показавшей, что солнечная система имеет свою историю. Кант не дал никаких математических расчётов, так как не был специалистом в области физико-математических наук.
Француз П. Лаплас, небесный механик, в 1796 г. в приложении к своей книге "Изложение системы мира" предложил иную гипотезу, математически и физически обоснованную. Пять фактов о строении планетной системы (направление обращений планет и их спутников, движения почти в одной плоскости, вращение в том же направлении, что и обращение, малые эксцентриситеты орбит) приняты им во внимание, как требующие объяснения. Лапласом применён не только закон тяготения, но и законы кругового движения, а также явления, происходящие при сжатии и при охлаждении той первичной туманности, из которой, по его гипотезе, образовалась солнечная система. Гипотеза Лапласа такая же естественная, как и Канта, но она уже учитывает имеющиеся факты движения и добавляет к числу причин не только одну механическую, но и чисто физическую.
Так к концу XVIII в. были созданы: одна гипотеза катастрофическая и две естественные, но различающиеся по первоисточнику (холодная материя Канта, разогретая туманность Лапласа).
За 50 лет XVIII в. уже видно движение вперёд как по числу факторов, так и ещё более по числу и качеству учитываемых причин. За время XIX в. новооткрытые факты, с одной стороны, поставили под сомнение гипотезу Лапласа, с другой же стороны, вызвали целый ряд гипотез, в которых учитывались и ранее неизвестные причины - приливное действие, световое давление, некоторые свойства материи. Однако эти попытки не давали удовлетворяющего фактам вывода. При этом гипотезы зарубежных учёных нередко принадлежали к числу катастрофических. Таковой была и гипотеза Джинса-Джефройса.
Как известно, космогоническая гипотеза Джинса была подробно проанализирована советскими учёными и ими была доказана её идеологическая порочность, а также ошибочность в разработке математической стороны. Идеологическая порочность теории заключается в том, что Джине, правильно рассчитав исключительно малую вероятность сближений звёзд, сделал отсюда вывод, характерный для идеалистически мыслящего учёного о том, что наша солнечная система представляет собой исключительно редкое образование. Между тем открытие в 1938 г. тёмных спутников около звёзд показало, что во вселенной планетные системы около солнц-звёзд отнюдь не редкое явление.
Критическое рассмотрение работы Джинса советскими астрономами Н.Н. Парийским, Н.Ф. Рейн и другими показало, что в его расчётах имеются неправильности: если происходило сближение двух солнц, то такой планетной системы, как наша, образоваться не могло.
С того времени, как обнаружилась неприемлемость гипотезы Джинса, усилились работы по созданию новых космогонических гипотез. Эти работы - учёных капиталистических стран, с одной стороны, и советских учёных - с другой - резко отличаются между собой как по методам, так и по содержанию. Идеалистически мыслящие зарубежные учёные попытались сначала "спасти" гипотезу Джинса путём видоизменения её частностей, но эта попытка, как и можно было ожидать, ни к чему не привела. Советские учёные, начавши разработку вопросов космогонии, исходили из основ диалектико-материалистической философии, рассматривающей природу такой, как она есть в действительности, со всеми противоречиями и взаимными связями, вызывающими постоянные изменения. Отдельные выдающиеся исследователи приняли во внимание успехи наблюдательной астрономии, истолкование новых наблюдательных данных, сделанное советскими астрономами, и их выводы из наблюдений. Особое значение приобрели успехи звёздной астрономии, давшие новые представления о строении и развитии звёзд и звёздных систем. Всё это привело к построению новых космогонических взглядов, не вполне сходившихся в некоторых своих частях. Следует, однако, заметить, что на этой стадии разработки космогонической проблемы все наши учёные отвергли принцип катастрофичности, культивируемый идеалистическими учёными. Советские учёные исходили из принципа естественности образования небесных тел и неисключительности нашего Солнца и окружающих его планет.
Руководствуясь мыслью о том, что никакая наука не может развиваться и преуспевать без борьбы мнений, без свободы критики, Астрономический совет Академии наук СССР организовал ряд совещаний по вопросам космогонии. Ко времени первого из этих совещаний в апреле 1951 г. имелись уже достаточно разработанные гипотезы советских космогонистов о связи образования планет с образованием самого Солнца и о современном образовании звёзд (В.А. Амбарцумян); об эволюции нашего Солнца и возможной связи образования планет с этой эволюцией (В.Г. Фесенков); об образовании нашей планетной системы из пылевой материи путём захвата её Солнцем при движении его в Галактике (О.Ю. Шмидт). Естественно, что первое совещание по вопросам космогонии было целиком посвящено обсуждению наиболее полно разработанной гипотезы О.Ю. Шмидта. Совещание пришло к выводу, что принципиальные положения О.Ю. Шмидта об образовании планет из холодной материи и разработанные под его руководством выводы о процессе этого образования верны и являются серьёзными, впервые достигнутыми успехами в области космогонии1.
Однако совещание поставило под сомнение явление гравитационного захвата в результате встречи Солнца с тёмной туманностью, предлагавшееся О.Ю. Шмидтом. Таким образом, совещание, одобрив работы О. 10. Шмидта, разрешение вопроса о происхождении того пылевого облака, из которого получились планеты, поставило как текущую проблему советской звёздной астрономии. Исследования В.Г. Фесенкова и В.А. Амбарцумяна совещание признало ценными для космогонии и выразило пожелания, чтобы они получили дальнейшую разработку. Отметив всё это в своём решении, совещание наметило те исследования, как наблюдательные, так и теоретические, которые следует провести для дальнейшего развития космогонии.
За время от первого до четвёртого космогонического совещания (бывшего в октябре 1954 г.) основные положения первого совещания получили дальнейшее развитие как в направлении исследования образования тёмных небесных тел из пылевых облаков, так и звёзд. Обстоятельства образования планет из пылевой материи получили более углублённую и широкую разработку. Особенно много сделано в вопросе возможного образования звёзд и относительной молодости некоторых типов звёзд. Фактические данные, полученные из наблюдений нашими наиболее мощными телескопами, показали наличие волокнистых водородных туманностей (Г.А. Шайн и В.Ф. Газе) и распадение волокон туманностей на отдельные звёзды (В.Г. Фесенков и Рожковский). Это подтверждает основные положения В.А. Амбарцумяна о групповом образовании горячих звёзд.
В докладах были представлены факты и соображения о подобном же групповом образовании также и холодных (красных) гигантов и сверхгигантов (Ю.И. Ефремов, Я.Я. Икаупиекс, И.В. Матвеев, М.Е. Набоков, В.П. Цесевич), нестационарных (переменных) звёзд, причём высказана очень существенная мысль о том, что в различных звёздных системах (сферических и плоских) звездообразование может идти с особенностями, зависящими от места образования (Б.В. Кукаркин). При этом всеми докладчиками высказывалась мысль, что звездообразование происходит и в настоящее время.
Предыдущее описание имеет целью показать учителю, готовящемуся к уроку о космогонии, ход космогонических исследований, основные положения, признанные правильными, плановость и целеустремлённость наших космогонических исследований.
Мы видим, что: 1) признано естественное образование небесных тел, случайное и не катастрофическое; 2) признано, что планетная система образовалась из пылевого облака, и механизм этого образования верно отображён О.Ю. Шмидтом, и эта часть его гипотезы обратилась в теорию; 3) признано, что звёзды образуются и в настоящее время группами, причём они могут быть разных спектральных классов; 4) признано, что в Галактике продолжается процесс формирования диффузных туманностей, образование звёзд из туманностей; 5) признана целесообразность работ о выяснении процесса конденсации звёздных масс из межзвёздного вещества; 6) исследования по космогонии ведутся не разрозненно, а планово: совещания указали текущие проблемы, над которыми надо работать как в области наблюдений, так и в области теории.
Самая последовательность тематики совещаний показывает, что от космогонии планетной системы советская наука переходит к проблеме более широкой и глубокой - к образованию звёзд и туманностей.
Изложению всего этого советского направления в космогонии обязательно должно быть уделено внимание на уроке о космогонии, причём должна быть разъяснена теория Шмидта в её главных частях и влияние этой теории на дальнейшее развитие исследований по космогонии. С теорией Шмидта учитель должен ознакомиться по его "Четырём лекциям" и принять во внимание заключение первого совещания о малой вероятности захвата, мы же здесь лишь кратко рассмотрим существенные части его теории, которые надо описать учащимся.
Теория О.Ю. Шмидта начала разрабатываться в Геофизическом институте АН СССР, и это не случайно. Автор этой теории, акад. О.Ю. Шмидт, во вступлении к своей книге прямо указывает, что все вопросы происхождения и процесса в земной коре требуют знания истории и эволюции всей Земли в целом. Эти вопросы имеют большое значение для практики предвидения явлений и использования земных недр. Следовательно, разработка теории происхождения Земли отвечает задачам советского народа в приспособлении, а иногда и перестройке природы на благо человека, разработка такой теории соответствует и задачам научного мировоззрения. Естественно, что вопрос о происхождении и развитии Земли нельзя решить изолированно - надо разработать теорию происхождения всей планетной системы.
При разработке теории были приняты во внимание не только те пять. задач, которые были намечены ещё Лапласом, но и современные данные о структуре Земли, а также "закон планетных расстояний", эмпирическая формула которого известна под названием "правила Тициуса-Боде". Для объяснения всех этих фактов теория исходила из современных сведений о Галактике - наличии в ней пылевой материи (так называемой метеорной), располагающейся не равномерно, а отдельными тёмными туманностями, плотности и массы которых уже приближённо известны, движениями звёзд и их природой. Использованы для построения теории не только закон тяготения со всеми его следствиями (например, приливное действие), но и вся сумма известных законов химии и физики, в том числе явлений радиоактивности и строения атома.
Из этого перечисления видно, что разработка этого вопроса далеко превосходит бывшие до этого гипотезы как по поставленным задачам, так и по методам их решения.
Сущность теории в общем известна и может быть более подробно изучена учителем. Мы обратим здесь внимание на основные её черты. Они заключаются в теории образования холодных тёмных небесных тел из холодной же материи под действием тяготения. Происхождение той метеорной пыли, из которой образовалась наша солнечная система, ещё требует дальнейших исследований, но механизм образования планет достаточно уверенно разработан. Этот механизм приводит к выводам, соответствующим наблюдаемым в действительности свойствам нашей солнечной системы, он даёт объяснение направлениям обращении и вращении, компланарности орбит и малых эксцентриситетов.
Весьма существенно, что в теории путём рассмотрения перехода части кинетической энергии в теплоту объясняется вращение планет, образование спутников как с прямым, так и с обратным движением (что никак не давала гипотеза Лапласа). Точно так же путём рассмотрения удельного момента частиц выводится, как естественное следствие закона тяготения, правило Тициуса-Боде.
 |
| Рис. 73. Распределение
частиц пылевого облака между формирующимся планетами. А и В - орбиты двух форми- рующихся планет; С - граница частиц, присоединяющихся к А и В. |
Приводим здесь в более доступной форме эти выводы. По теории О.Ю. Шмидта, при образовании планеты каждая частица имеет более вероятия присоединиться к тому планетному зародышу, удельный момент которого меньше всего отличается от такого же момента частицы (рис. 73). Если уже образовались два начала планет, то все частицы между орбитами этих планет будут присоединяться к той, удельный момент которой ближе всего к такому же моменту частицы.
Кривая С будет границей частиц, падающих либо на А, либо на В.
Момент (орбитальный) равен mr2v.
Удельный момент равен
(r - расстояние, v - угловая скорость, v - линейная скорость) , обозначая удельный момент через q, можем то же написать в ином виде:
Выражение в скобках есть секториальная скорость c. Следовательно, правило наращивания частиц на начальную массу можно высказать и иначе: частица присоединяется к тому планетному зародышу, у которого двойная секториальная скорость менее всего отличается от такой же скорости частицы. Это вполне естественно: перескочить с одного движущегося предмета на другой тем легче, чем меньше разница скоростей, а если разница слишком велика, то перескок не удаётся.
Рассмотрим теперь отношение секториальных скоростей двух соседних планет. При этом примем во внимание третий закон Кеплера:
и
заменив v значением 
,
получаем: 
Рис. 74. Зависимость удельного момента (двойной
секториальной скорости) от расстояния
до Солнца
Это есть закон изменения
секториальных скоростей, соответствующий
третьему закону Кеплера, который сам
является следствием закона тяготения.
Положив для первой планеты с = 1 и rn
= 1, можем
рассчитать, что с изменяется медленнее,
чем r (см. график на рис.74). Закон
планетных расстояний по теории выражается
так: 
Для любых двух соседних планет: 
Следовательно, 
Так как b есть постоянная величина, то, значит, разность секториальных скоростей двух соседних планет должна быть для планет одинаковой природы постоянной величиной.
Но из
следует, что чем дальше от
Солнца, тем медленнее меняется
секториальная скорость. Значит, чем дальше
от Солнца, тем больше должна быть разность
между г и Гд чтобы удовлетворить требованию
постоянства разницы секториальных
скоростей. Следовательно, возрастание с
расстоянием промежутков между орбитами
есть явление естественное, обусловленное
законом тяготения и его постоянной. Закон
планетных расстояний в теории Шмидта
является не эмпирической формулой, а
следствием закона природы.
Как известно, соответствие теории и действительности расстояний для двух групп планет получается хорошим и лучшим, чем по правилу Тициуса-Боде. Наличие особых значений для каждой из групп (земной и юпитеровой) планет показывает, что эти группы образовались при тех разных условиях, которые предложены в теории. Этот закон, как вытекающий из закона тяготения, имеет общее значение для любой планетной системы с центральным телом, значительно превышающим по массе обращающиеся около него тела. И действительно, орбиты спутников больших планет расположены по тому же закону.
Вывод о твёрдой структуре всей Земли из теории достаточно хорошо совпадает с имеющимися фактами, показывает, что состав земной коры меняется в её верхних частях. Эти выводы, конечно, имеют значение для геофизики и её практических приложений.
Каждая новая гипотеза, если она не фантастична и не идеалистична, учитывает какой-нибудь новый фактор, и после отрицания этой гипотезы её новые для своего времени и плодотворные мысли или методы исследования входят в космогонию и используются последующими исследованиями. Естественно, что наши советские космогонисты, и О.Ю. Шмидт в первую очередь, учитывают и те факторы, которые были разработаны раньше, следуя мысли В.И. Ленина о том, что наша культура строится не на пустом месте, а "должна явиться закономерным развитием тех запасов знания, которое выработало человечество". Советские космогонисты пользуются этим запасом знаний, отбрасывая те положения, которые находятся в противоречии с диалектико-материалистическим взглядом на природу, добавляют новые, полученные из наблюдений, рассматривают все факторы не односторонне, а в их взаимной связи и, создав гипотезу, проверяют её по фактам и критике.
1 "Труды первого совещания по вопросам космогонии 16-19 апреля 1951 г.", Изд-во АН СССР, 1951.
| << Предыдущая |